NASA建模描述类似早期太阳的恒星 

40亿年前的太阳，那时候大约是地球开始孕育生命的时期。（图片来源：NASA's Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab）

由美国国家航空航天局（NASA）领导的一项新研究近距离观察了附近一颗类似年轻太阳的恒星。这项工作使科学家们能更好地理解我们的太阳年轻时可能的样子，以及它可能是如何塑造了我们地球的大气层并赋予了地球生命。

许多人梦想着与年轻的自己见面并交换建议，确定他们自己特质的来源，并分享对未来的希望。我们46.5亿岁的太阳正处在恒星的中年阶段。科学家们经常好奇的是，太阳年轻时的什么特性能够支持它养育位于附近的地球上的生命。

如果没有时间机器将科学家送到数十亿年前，追溯恒星早期活动似乎是一项不可能的壮举。幸运的是，我们的太阳系所在的星光闪耀的银河系中存在1000多亿颗恒星。其中十分之一的恒星与太阳有共同的特征，而且许多恒星尚处于发展的早期阶段。

Vladimir Airapetian是NASA在马里兰州的戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）太阳物理学部门的高级天体物理学家，也是该新研究的第一作者。她说：“想象一下，如果我想重现成年人一两岁时的婴儿照片，而他们所有的照片都被删除或丢失了。那我会看看他们现在以及他们近亲婴儿时代的照片，并以此为基础重建他们的婴儿照片。这就是我们在这项研究中遵循的程序，通过观察一颗与太阳相似的年轻恒星的特征，更好地了解我们自己的恒星年轻时的样子，以及是什么让它能够在附近的行星上养育生命。”

Meng Jin是SETI（Search for ExtraTerrestrial Intelligence）研究所和加利福尼亚州洛克希德·马丁太阳和天体物理实验室（the Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory）的天体物理学家，也是此研究报告的第二作者。他表示Kappa 1 Ceti就是这样一颗类太阳恒星。这颗恒星位于离太阳系约30光年远的地方（从空间角度来说，就像住在下一条街上的邻居），估计有6亿到7.5亿岁，和太阳在地球上孕育生命的年龄差不多，它的质量和表面温度也与太阳相似。所有这些因素使Kappa 1 Ceti成为了地球上生命出现时年轻太阳的“双胞胎”，它也成为了研究的重要目标。

Airapetian、Jin和几位同事已经调整了现有的太阳模型来预测Kappa 1 Ceti一些最重要但难以测量的特性。该模型的数据输入依赖于不同的太空任务，包括NASA/欧洲航天局（ESA）的哈勃太空望远镜任务、NASA的过境系外行星测量卫星（TESS）和“NICER”任务，以及ESA的多镜片X射线观测卫星（XMM-Newton）。该研究小组于2021年8月4日在《天体物理学杂志》上发表了他们的研究成果。

恒星能量

和人类蹒跚学步的孩子一样，幼儿恒星以其高能爆发与活动而闻名。对于恒星来说，释放被压抑的能量的一种方式是恒星风。

恒星风和恒星本身一样，主要是由一种被称为等离子体的超热气体组成的，等离子体是由气体中的粒子分裂成带正电荷的离子和带负电荷的电子产生的。在恒星磁场的帮助下，能量最大的等离子体在爆发时，从日冕（恒星大气的最外层，也是最热的部分）喷射出去，或者作为恒星风更稳定地吹向附近的行星。Jin说：“恒星风不断地从恒星吹向附近的行星，影响着这些行星的环境。”

年轻的恒星产生的恒星风往往比年长的恒星更热、更强烈，并且其等离子体爆发的威力也更强大。这种爆发会影响附近行星的大气和化学物质，甚至可能催化有机物质成为生命的基石。

日冕物质抛射撞击年轻地球的弱磁层的艺术化展现。（图片来源：NASA/GSFC/CIL）

所有阶段的恒星产生的恒星风都会对行星产生重大影响。但是年轻恒星高致密的强恒星风会压缩周围行星的磁保护层，使它们更容易受到带电粒子的影响。

我们的太阳就是一个完美的例子。与现在相比，在它“蹒跚学步”时，太阳的旋转速度可能是现在的三倍，并且具有更强的磁场，能射出更强烈的高能辐射和粒子。如今，如果足够幸运，这些粒子的撞击有时可以在地球的两极附近看到，也就是北极光和南极光。Airapetian说，40亿年前，考虑到我们当时的太阳风影响，这些壮观的极光很可能会经常出现在全球的许多地方。

太阳新生的高能活动可能压缩了地球的保护磁层，并使地球具备了适合形成生物分子的大气层化学物质。地球不能像金星那样因为距离太近被灼烧，也不能像火星那样距离太远而被忽视。类似的过程也可能在整个星系和宇宙的恒星系统中展开。

Airapetian说：“我的梦想是找到一颗正处在我们星球4亿年前阶段的系外岩石行星，它正被年轻而活跃的恒星塑造，几乎要开始孕育生命。了解地球开始孕育生命时，我们的太阳是什么样子，将有助于我们寻找周围可能孕育生命的系外行星的恒星。”

太阳双子

虽然类太阳可以解决部分窥视太阳过去的挑战，但时间并不是研究年轻太阳的唯一复杂因素，还有距离。

我们有仪器能够准确测量太阳风，也就是从我们的太阳发出的恒星风。然而，由于距离太远，目前还不可能直接观测到我们星系中其他恒星的恒星风，比如Kappa 1 Ceti。

当科学家希望研究一个他们不能直接观察到的事件或现象时，科学建模可以帮助填补空白。模型是建立在现有科学数据的基础上对研究对象的展现或预测。Airapetian说，虽然科学家之前已经模拟了这颗恒星的恒星风，但他们使用了更简化的假设。

Airapetian、Jin和同事提出的Kappa 1 Ceti新模型的基础是阿尔芬波太阳模型（Alfvén Wave Solar Model），它在密歇根大学开发的空间天气建模（Space Weather Modeling Framework）框架内。该模型的工作原理是根据恒星磁场和紫外发射线数据等已知信息，来预测恒星风的活动。该模型在把太阳作为对象进行测试后，已被观测到的数据验证是准确的。

日冕是恒星大气中的最外层，在磁场和磁场的加热下膨胀成恒星风。研究人员根据2012年和2013年的数据，3D模拟了Kappa 1 Ceti的恒星日冕的磁场。（图片来源：NASA）

“它能够高保真地模拟我们的恒星的风和日冕，”Jin说，“这模型也可以用于其他恒星来预测它们的恒星风，从而研究可居住性。这是我们之前做的事情。”

先前的研究是利用TESS和哈勃太空望远镜收集的数据确定恒星Kappa 1 Ceti是一个年轻的类太阳，并为模型收集必要的输入数据，如磁场和紫外发射线数据。

“每个模型都需要输入数据来获得输出，”Airapetian说，“为了获得有用的、准确的输出，输入必须是可靠的数据，理想状态下数据应该来自跨时间的多个源。我们有来自Kappa1Ceti的所有需要的数据，但我们确实把这些数据合成到了预测模型中，以超越之前对恒星的纯观测性研究。”

Airapetian把他团队的模型比作医生的报告。为了全面了解病人的情况，医生很可能会与病人交谈，收集心率和温度等指标，如果需要，会进行一些更有针对性的测试，比如血液测试或超声波。他们很可能会综合这些指标，而不仅仅是一个指标，来制定一个对患者健康的准确评估。

同样地，通过利用从不同的太空任务中收集到的许多关于Kappa 1 Ceti的信息，科学家们能够更好地预测其日冕和恒星风。因为恒星风会影响附近行星的磁层，对可居住性起着重要的作用。该小组还在进行另一个项目，更仔细地研究从早期太阳耀斑中可能产生的粒子，以及地球上未产生生命前存在的化学物质。

我们太阳的过去就写在那些恒星里

研究人员希望利用他们的模型来绘制其他处于不同阶段的类太阳恒星的环境。

具体来说，他们一直在观察111光年之外，只有1亿岁的“婴儿”恒星EK Dra，它的旋转速度可能比Kappa 1 Ceti快三倍，发射的耀斑和等离子体也更多。记录这些不同年龄的相似恒星的异同将有助于描述恒星的典型生活轨迹。

Airapetian表示，他们的工作都是在“通过其他恒星的镜头，来观察我们自己的太阳以及它的过去和可能的未来。”

撰文：Alison Gold

翻译：李周琦珺

审校：王嘉钰

引进来源：Phys