年轻太阳类似星EK Draconis上多温度日冕物质抛射特征的发现在行星宜居性研究中的意义

《Nature Astronomy》：Discovery of multi-temperature coronal mass ejection signatures from a young solar analogue

本期推荐一项针对年轻太阳类似星EK Draconis的重大突破性研究。为揭示早期太阳活动对行星大气的潜在影响，研究团队通过哈勃空间望远镜（HST）、TESS卫星及多台地面望远镜联合观测，首次在该恒星一次卡林顿级耀斑（~1032 erg）中同步捕获远紫外（FUV）和光学波段的多温度谱线蓝移信号。研究证实了恒星日冕物质抛射（CME）存在高温（~105 K）快膨胀与低温（~104 K）慢抛射的多层结构，为理解年轻恒星爆发事件对系外行星大气演化的累积效应提供了关键观测依据。

　　

在宇宙中寻找生命的踪迹时，我们常常将目光投向那些与太阳相似的恒星。尤其是年轻的太阳类似星，它们如同婴儿期的太阳，活跃而充满爆发力。然而，这种活跃性是一把双刃剑——强烈的耀斑和日冕物质抛射（CME）可能剥离行星的大气，却又可能为生命的化学起源提供能量。长期以来，科学家们一直困惑于一个关键问题：年轻太阳的爆发活动究竟如何影响周围行星的演化？由于直接观测早期太阳已不可能，研究年轻太阳类似星成为解开这一谜题的唯一途径。

尽管近年来对恒星耀斑的研究取得进展，但对恒星CME的观测仍面临巨大挑战。尤其是类似太阳的G型星，其CME信号往往被耀斑的强光淹没，以往观测多局限于单一波段，难以捕捉CME的多温度结构。更棘手的是，快速高温的等离子体抛射与缓慢低温的暗条爆发是否关联、如何演化，始终缺乏直接证据。这些盲点使得我们无法准确评估恒星爆发事件对行星环境的真实影响。

为此，一个国际研究团队将目光投向了著名的年轻太阳类似星EK Draconis（EK Dra）。这颗年龄仅5000万至1.25亿年的恒星（太阳年龄的1/100），拥有与婴儿期太阳相似的物理参数，却是颗“超级耀斑制造机”，平均每两天就会产生能量超过10³³ erg的超级耀斑。研究团队于2024年3月29日至4月1日开展了为期四天的密集观测，动用了哈勃空间望远镜（HST）的远紫外光谱仪、TESS卫星以及位于日本和韩国的三台地面光学望远镜，首次实现了对这颗恒星从远紫外到光学波段的全方位“监控”。

观测很快带来惊喜。3月29日，研究团队成功捕捉到一次能量约2.3×10³² erg的卡林顿级耀斑（相当于GOES级别的X23级）。更引人注目的是，在耀斑期间及其前兆阶段，HST的远紫外光谱显示C III（形成温度log T=4.85，约10⁵ K）和Si IV（log T=4.85）谱线出现了明显的蓝移发射成分，速度高达300-550 km s^-1。这种持续的蓝移特征不能用常见的耀斑色球蒸发解释，而是暗示着高温等离子体的快速抛射。

约10分钟后，光学波段传来了更加令人振奋的消息。韩国Bohyunsan天文台和日本Nayuta望远镜的高分辨率光谱显示，Hα谱线中出现了一个速度约-60至-70 km s^-1的蓝移吸收特征，持续了至少2小时。这种缓慢而持久的吸收特征正是低温暗条（~10⁴ K）在恒星表面抬升的典型信号。

关键技术方法

研究团队采用多望远镜协同观测策略：HST的宇宙起源光谱仪（COS）提供高分辨率远紫外时序光谱；TESS卫星提供连续光学测光数据；韩国BOAO的1.8米望远镜（BOES光谱仪）、日本Nayuta望远镜的2.0米望远镜（MALLS光谱仪）及冈山天文台Seimei望远镜的3.8米望远镜（KOOLS-IFU光谱仪）共同获取高时间分辨率Hα光谱。通过高斯拟合分析谱线轮廓，计算蓝移组分的速度和光度；利用CHIANTI原子数据库估算等离子体参数；结合太阳IRIS观测数据进行比较验证。

多温度CME特征的发现

远紫外波段捕捉高温快速抛射

通过对C III和Si IV谱线的详细分析，研究人员发现这些形成于约10⁵ K温度的谱线在耀斑期间表现出显著的蓝移翼。高斯拟合显示，Si IV的蓝移成分中心速度为-300±60 km s^-1，最大速度达-470±70 km s^-1；C III谱线的蓝移速度更高，达-350±50 km s^-1至-550±50 km s^-1。这些速度远高于恒星自转速度，且持续时间与耀斑阶段吻合，表明它们源自与耀斑相关的快速等离子体抛射，而非局部的色球蒸发。

光学波段揭示低温慢速暗条爆发

在远紫外耀斑发生约10分钟后，Hα谱线中出现了速度约-70 km s^-1的蓝移吸收特征，持续超过2小时。这种特征与太阳上的暗条爆发观测一致，表明存在低温、高密度等离子体的缓慢抬升。两个独立望远镜的观测结果相互验证，排除了仪器误差或大气干扰的可能。

多组分结构的物理联系

研究人员提出了两种可能解释这一多温度观测现象的物理图景。第一种是单事件的多层结构模型，即CME由一个低温暗条核和周围的高温等离子体冕组成，类似太阳上的喷发结构。第二种是“交感喷发”模型，即远紫外观测到的高温快速抛射触发了Hα观测到的低温暗条爆发，类似于太阳上不同磁区相互触发的交感现象。无论哪种情况，这都是首次在恒星CME事件中明确探测到多温度结构。

质量与动能估算

通过光谱分析估算，高温等离子体质量约为(4.0-7.6)×10¹⁶ g，动能约(1.1-4.9)×10³¹ erg；低温暗条质量约(0.93-31)×10¹⁶ g，动能约(0.19-9.0)×10³⁰ erg。尽管两者质量相当，但高温组分携带了大部分动能，这与太阳CME中高温组分主导动能输运的特征一致。

研究结论与意义

这项研究首次在年轻太阳类似星上实现了多波段同步观测，明确揭示了恒星CME的多温度、多组分本质。这不仅证实了类似太阳的喷发机制在活跃恒星上普遍存在，更重要的是表明即使能量相对较低的卡林顿级耀斑（10³² erg量级）也能产生显著的CME事件。

考虑到EK Draconis这类年轻太阳类似星每天可能发生5-10次卡林顿级事件，早期地球可能每天经历0.5-1次磁暴冲击。这种高频次的CME轰击会压缩地球磁层至约2个地球半径，扩大极盖区，使高能粒子更有效地注入大气，促进N₂和CO₂的电离，生成氨基酸、羧酸等生命前体分子。因此，年轻太阳的频繁爆发可能不是生命的威胁，而是地球生命起源的“催化剂”。

这项发表于《Nature Astronomy》的研究不仅突破了恒星CME观测的技术瓶颈，为理解恒星-行星相互作用提供了新范式，更将深远影响系外行星宜居性评估标准。随着日本LAPYUTA等未来紫外空间望远镜的升空，我们有望系统揭示恒星爆发活动的统计规律，最终解答“行星如何在天体活动的洗礼中孕育生命”这一终极命题。