恒星金属丰度对低质量恒星XUV演化及系外行星大气可居住性的影响建模

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Modelling the effect of stellar metallicity on the XUV evolution of low-mass stars and its impact on exoplanet atmospheres/habitability

本研究针对恒星金属丰度对系外行星大气演化的影响这一空白领域，通过建立参数化演化模型，系统分析了不同金属丰度下低质量恒星的旋转演化、XUV辐射演化及其对宜居带行星大气光致蒸发的作用。研究发现金属丰度高的恒星具有更快的自转减速和更强的XUV辐射，导致其宜居带行星大气逃逸速率显著提升，且该效应对高质量恒星尤为显著。这项研究为系外行星可居住性评估提供了新的关键参数。

　　

在寻找系外生命的过程中，天文学家通常首先关注行星是否位于其恒星的宜居带内——即行星表面可能存在液态水的轨道范围。然而，这仅仅是评估行星可居住性的第一步。行星大气的长期演化，特别是其如何抵抗恒星高能辐射的剥离作用，是决定生命能否孕育的关键因素。其中，恒星发出的X射线和极紫外辐射（统称为XUV辐射）是驱动行星大气蒸发的主要能量来源。因此，系外行星大气的命运与其宿主恒星的磁活动演化紧密相连。

尽管已有许多研究模拟了系外行星大气与其宿主恒星的联合演化，但宿主恒星的金属丰度（即恒星中重于氢和氦的元素含量）对恒星活动及行星大气演化的影响却一直未被深入探索。金属丰度如何改变恒星的内部结构、进而影响其自转减速的速率和磁活动的强度？围绕金属丰度较高的恒星运行的行星，是否会因其宿主更“活跃”而遭受更强烈的大气侵蚀？这些问题对于全面理解系外行星的可居住性至关重要。由Victor See领导的研究团队在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上发表的研究，正是为了解开这个谜团。

为了回答这些问题，研究人员开展了一项系统的理论研究。他们采用了参数化演化模型，聚焦于0.5、0.7和1.0倍太阳质量的低质量恒星，并考虑了从贫金属到富金属（[Fe/H] = -1.0, -0.5, 0.0, +0.5）四种不同金属丰度。研究的关键技术方法主要包括：利用Amard等人（2019）的恒星结构模型获取不同质量和金属丰度下恒星的半径、光度、有效温度、转动惯量等物理参数随时间的演化；采用Matt等人的 prescriptions 构建恒星风扭矩模型，模拟恒星的角动量损失和自转演化；基于Wright等人（2011）的观测数据重新校准X射线光度与罗斯比数（Rossby number，Ro = P_rot/τ，即自转周期与对流周转时间的比值）的关系，并利用Johnstone等人（2021）的经验关系由X射线辐射推算EUV辐射；结合Kopparapu等人（2014）的宜居带模型确定行星轨道位置，并采用Johnstone等人（2015b）的光致蒸发模型计算行星大气的质量损失速率。

研究结果

恒星结构模型的金属丰度效应

研究首先明确了金属丰度对恒星基本物理性质的影响。对于给定质量和年龄的恒星，富金属恒星通常具有更大的半径、更低的光度、更低的表面有效温度、更大的转动惯量和更长的对流周转时间。

恒星旋转演化

模型的旋转演化结果证实，金属丰度对恒星自转有显著影响。在前期主序阶段，恒星收缩导致自转加速，富金属恒星收缩完成时间更长，达到最大自转速率的时间更晚。进入主序后，恒星因磁化星风损失角动量而自转减速。富金属恒星由于具有更长的对流周转时间，在非饱和区经历更大的自转减速扭矩，因此减速更快，在晚期具有更慢的自转速率。此外，不同初始自转周期的恒星最终会收敛到一条由金属丰度决定的旋转序列上。研究还发现，金属丰度引起的晚期自转速率差异在高质量恒星中更为显著，因为高质量恒星的对流层更薄，金属丰度的变化对其对流特性的相对改变更大。

恒星活动（XUV）演化

通过将旋转演化模型与活动-自转关系耦合，研究团队模拟了恒星的XUV辐射演化。对于给定初始自转周期和质量的恒星，其X射线与bolometric光度比（R_X = L_X/L_bol）在恒星演化的所有阶段，富金属恒星均高于贫金属恒星。然而，由于贫金属恒星本身的光度更大，在转换得到X射线光度（L_X）和XUV光度（L_XUV）时，在某些演化阶段，贫金属恒星的L_X和L_XUV反而可能高于富金属恒星。

宜居带位置的XUV通量

研究计算了位于宜居带中点的行星所接收的XUV通量（F_XUV(r_{HZ, mid})）。尽管高质量恒星的XUV光度通常更高，但其宜居带距离恒星也更远，因此其宜居带行星接收到的F_XUV平均值反而低于低质量恒星。更重要的是，对于给定质量、初始自转周期和年龄的恒星，富金属恒星宜居带行星接收到的F_XUV几乎总是高于贫金属恒星。这主要是因为富金属恒星的宜居带距离恒星更近。

行星大气光致蒸发

最后，研究团队计算了行星大气的光致蒸发速率。结果表明，行星大气的演化依赖于宿主恒星的质量、初始自转周期、金属丰度以及行星自身的质量和初始大气质量分数。总体而言，对于给定的恒星参数和行星参数，围绕富金属恒星运行的行星，其大气被蒸发得更快。在某些情况下，恒星金属丰度对大气演化的影响甚至超过其初始自转周期。同时，大气演化对宿主恒星金属丰度的敏感性在高质量恒星中更为突出。

研究结论与意义

本研究通过建立综合演化模型，首次系统揭示了恒星金属丰度在系外行星大气演化中所扮演的关键角色。主要结论包括：首先，确认了富金属恒星具有更快的自转减速速率；其次，发现富金属恒星的X射线与bolometric光度比始终更高；第三，指出由于bolometric光度的差异，贫金属恒星在某些时期的XUV光度可能反而更高；第四，也是最重要的，由于宜居带位置更近，富金属恒星宜居带行星承受的XUV通量几乎总是更强，导致其大气蒸发速率更快；最后，研究强调所有这些效应在高质量恒星中更为敏感。

这项研究的意义在于它将恒星化学组成这一基本参数正式引入到系外行星可居住性评估框架中。传统上，评估行星是否宜居主要关注其轨道位置和恒星的活动水平。本研究明确指出，即使两颗恒星具有相同的质量和初始自转速率，仅仅是金属丰度的差异就可能导致其宜居带行星的大气命运截然不同。这为理解系外行星大气的多样性提供了新的视角，对未来选址观测具有指导意义。此外，研究提示，在考虑恒星-行星系统的共同起源时（即恒星与行星可能具有相似的化学组成），金属丰度对行星自身性质（如密度、质量）的潜在影响可能会与本文揭示的大气蒸发效应产生复杂的耦合，这为未来的研究开辟了新的方向。总之，Victor See等人的工作深化了我们对恒星-行星相互作用的理解，标志着系外行星可居住性研究向更精细、更物理化的方向迈出了重要一步。