[论文解读] The habitability of Proxima Centauri b. I. Irradiation, rotation and volatile inventory from formation to the present

I. Ribas, Émeline Bolmont+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 147被引用 99

一句话总结

该论文通过建模 Proxima b 的高能辐照、潮汐/自转演化以及形成到现在的挥发物（水）损失来评估其宜居性。

ABSTRACT

Proxima b is a planet with a minimum mass of 1.3 MEarth orbiting within the habitable zone (HZ) of Proxima Centauri, a very low-mass, active star and the Sun's closest neighbor. Here we investigate a number of factors related to the potential habitability of Proxima b and its ability to maintain liquid water on its surface. We set the stage by estimating the current high-energy irradiance of the planet and show that the planet currently receives 30 times more EUV radiation than Earth and 250 times more X-rays. We compute the time evolution of the star's spectrum, which is essential for modeling the flux received over Proxima b's lifetime. We also show that Proxima b's obliquity is likely null and its spin is either synchronous or in a 3:2 spin-orbit resonance, depending on the planet's eccentricity and level of triaxiality. Next we consider the evolution of Proxima b's water inventory. We use our spectral energy distribution to compute the hydrogen loss from the planet with an improved energy-limited escape formalism. Despite the high level of stellar activity we find that Proxima b is likely to have lost less than an Earth ocean's worth of hydrogen before it reached the HZ 100-200 Myr after its formation. The largest uncertainty in our work is the initial water budget, which is not constrained by planet formation models. We conclude that Proxima b is a viable candidate habitable planet.

研究动机与目标

• 估计 Proxima b 目前及过去的高能辐照及其对大气/挥发物损失的影响。
• 推断 Proxima b 可能的自转状态和潮汐演化（同步或 3:2 共振）。
• 探讨初始水库情景及其对当前生存能力的含义。
• 使用能量受限逃逸框架对氢/水损失进行建模，并以 Proxima 的光谱进行定标。
• 评估 Proxima b 是否可能在其不断演化的宜居带内保留液态水。

提出的方法

• 为 Proxima 从 X 射线到紫外（FUV/EUV）构建光谱能量分布，并量化当前与历史辐照。
• 应用能量受限的逃逸 formalism（结合流体力学模拟信息）以估算氢/水损失。
• 在潮汐作用下对恒星演化（光度、XUV 输出）与行星轨道/自转动力学进行建模。
• 考虑两种自转状态情景（同步 vs 3:2 共振）及其对宜居带内边缘的影响。
• 将 Proxima b 的辐照与地球比较，以评估脱水风险和水的保持潜力。
• 以观测数据支撑 Proxima 的高能发射和风在 Proxima b 轨道处的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 Proxima b 目前的高能通量是多少，与地球相比如何？
• RQ2 Proxima 的高能输出随时间如何演变，对 Proxima b 的大气演化有何影响？
• RQ3 Proxima b 的自转与潮汐状态有哪些可行情景，它们如何影响宜居性边界？
• RQ4 Proxima b 可行的初始水库存是多少，以及在进入/未进入宜居带前后可能损失的水量？

主要发现

波长区间（纳米）	Proxima b (erg s-1 cm-2)	Earth (erg s-1 cm-2)	比值
0.6–10 (X 射线)	163	0.67	≈250
10–40	111	2.8	≈40
40–92	13	0.84	≈15
92–118	20	0.79	≈25
0.6–118 (XUV)	307	5.1	≈60
10–118 (EUV)	144	4.4	≈30
118–170 (FUV)	147	15.5	≈10
H Ly α (122 nm)	130	8.6	≈15

• Proxima b 目前接收到的 XUV 通量约为地球的 60 倍，X 射线约为地球的 250 倍。
• 行星的宜居带内边缘演化取决于自转状态；同步自转会以不同方式推动内边缘相对于非同步情况的变化。
• 能量受限逃逸建模表明，Proxima b 在达到宜居带前（形成后约 1 億—2 亿年）将损失的氢量少于一个地球海洋。
• 即使星体活动水平较高，若初始水量充足，仍可能保留相当比例的水。
• 在可行的形成情景下，考虑其辐照历史与水保留潜力，Proxima b 仍是一个宜居性候选对象。