空间中心科研人员及合作者揭示系外类地行星大气离子逃逸长期演化趋势

太阳系外类地行星能否在长期剧烈的恒星活动中保留大气层，是评估其宜居性的核心科学问题之一。围绕M型红矮星运行的岩石质行星是大气表征的重点研究目标。它们长期暴露于强烈的恒星风和高能辐射之下，其大气演化过程仍存在诸多未解之谜。美国开普勒（Kepler）空间望远镜近年来发现的Kepler-1649系统（图1）拥有两颗地球大小的岩石行星，分别位于0.051AU（Kepler-1649 b,半径为1.02倍地球半径）和0.088AU（Kepler-1649 c，半径为1.06倍地球半径）的轨道，宿主恒星为一颗M5V型恒星，其中Kepler-1649 b位于宿主恒星宜居带内侧靠近宜居带，Kepler-1649 c位于宿主恒星宜居带内，该系统为研究M型红矮星系统中类地行星在极端环境下的大气演化规律提供了理想的天然实验室。

图1 Kepler-1649系统示意图。图中红色圆点为宿主恒星Kepler-1649，红色椭圆为Kepler-1649 b的轨道，蓝色椭圆为Kepler-1649 c的轨道,绿色环带为宿主恒星Kepler-1649的宜居带，橙色椭圆为金星轨道大小（对比参照），下方为Kepler-1649 b和c与地球的大小对比。（图中行星图像来自Wikipedia）

近日，中国科学院国家空间科学中心（以下简称"空间中心"）复杂航天系统电子信息技术重点实验室的李海涛副研究员、太阳活动与空间天气全国重点实验室的谢良海副研究员、美国波士顿大学董川飞教授以及国内外多所科研机构的专家学者等合作，针对Kepler-1649 b和c与恒星风相互作用构建了多成分的磁流体动力学（MS-MHD）模型，并借助该模型系统模拟了Kepler-1649 b和c在0.8至4.0Gyr时间跨度内，由恒星风和极紫外辐射驱动的大气离子逃逸过程。研究团队通过引入恒星自转制动模型计算时变恒星风参数，并基于M型红矮星观测校准的极紫外辐射演化（图4，图5），首次实现了对该系统大气离子侵蚀过程的长期定量预测。

模拟结果揭示了两个关键科学发现。首先，两颗行星的离子逃逸率均随恒星年龄呈现系统性衰减（图2，图3，图6），并通过非参数LOWESS回归捕捉到这一趋势，总体逃逸率在4.0Gyr时较早期降低2至3个数量级，氧原子离子O+贡献了逃逸总量的98.3%–99.9%。其次，行星轨道距离对长期剥蚀效率产生非单调影响：在0.8Gyr时，行星b的O+逃逸率达到4.47×10²⁷ s^-1，是行星c的3.79倍；但在4.0Gyr时，行星b的逃逸率降至2.22×10²⁴ s^-1，反而比行星c低39.5倍。这一反转现象源于恒星风快速磁声马赫数随年龄下降至1附近或以下，导致恒星-行星相互作用进入亚磁声速区，形成类似木卫三磁层嵌入木星等离子体流的阿尔芬翼结构，显著抑制了大气剥离效率。尽管早期经历剧烈侵蚀，累积计算表明两颗行星在0.8–4.0Gyr期间分别损失约0.32bar和0.16bar的CO₂当量大气，仍可能保留浓厚大气层。

图2 Kepler-1649 b（左）和 c（右）离子逃逸率随恒星年龄（0.8–4.0Gyr）的演化。从上到下：氧原子离子O^⁺、氧分子离子O₂^⁺、二氧化碳离子CO₂^⁺和总离子逃逸率（s^⁻¹）。数据点使用 LOWESS 方法进行了非参数回归（实线）。

图3 Kepler-1649 b 和 c 在不同恒星年龄（0.8–4.0Gyr；从上到下）下的 X-Z 平面中对数离子数密度（cm^⁻³）分布。O^⁺、O₂^⁺和 CO₂^⁺按列显示（从左到右）。坐标归一化为行星半径 Rₚ。

图4 Kepler-1649 b 和 c 处的恒星光谱，以及与金星和地球处的太阳光谱的比较。(a)：Kepler-1649在行星b（0.0514 AU，绿线）和 c（0.0882 AU，橙线）轨道距离处的通量（W m^⁻² µm^-1），与金星处太阳光谱（红线）和地球处（紫线）比较。Kepler-1649 的光谱从比邻星（M5.5V）缩放而来，与其光谱类型匹配。(b) 和 (c)：Kepler-1649 在行星 b 和 c 轨道距离处XUV通量（0.7nm–118nm，W m^⁻² µm^-1）的时序演化，跨越恒星年龄0.8–4.0Gyr。

图5 Kepler-1649 的 XUV辐射通量随时间演化曲线，跨越恒星年龄 0.8–4.0Gyr。

该研究首次在十亿年时间尺度上量化了M型红矮星系统的大气演化规律，模拟证实了Kepler-1649 b和c具备长期维持大气层的潜力，对评估其宜居性具有重要启示。研究成果为詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）等观测设备提供了可检验的理论预测（图7），有助于从演化光谱特征中识别大气质量损失上限，提升对M型红矮星周围类地行星大气可探测性的科学认知。研究同时建立了亚磁声速条件下大气逃逸的新范式，为理解同类系统的行星大气演化提供了参考。该研究相关成果预期可以直接应用于我国未来系外行星空间科学任务，在观测目标选取、宜居行星搜寻、系外行星圈层刻画及其宜居性表征等方面具有重要意义。

图6 Kepler-1649 b 和 c日侧在 0.8 Gyr（上行）和 4.0 Gyr（下行）下的 X-Z 平面中 O^⁺（左列）和 O₂^⁺（右列）的对数离子数密度（cm^⁻³）分布。坐标归一化为行星半径R_p。

图7 Kepler-1649 b 在从0.8到4.0Gyr的九个代表性演化年龄下的红外凌星透射光谱（5-12µm）演化预测。R_p是行星的固体半径，H_atm是大气等效不透明高度，R_star是恒星半径。

上述研究成果以"Modeling Atmospheric Ion Escape from Kepler-1649 b and c over Time"为题发表于国际学术期刊The Astrophysical Journal Letters。论文第一作者为李海涛副研究员，通讯作者为李海涛副研究员、谢良海副研究员。合作者包括来自美国波士顿大学、中国科学院国家天文台、英国埃克塞特大学、英国牛津大学、美国纽约大学阿布扎比分校、德国马克思普朗克研究所、中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院高能物理研究所、空间中心等国内外相关科研机构的专家学者和研究生。该研究得到了国家留学基金委、中国科学院青促会等项目资助。

论文链接：Haitao Li*, Chuanfei Dong, Lianghai Xie*, Xinyi He, Laura Chin, Xinke Wang, Hong-Liang Yan, Jinxiao Qin, Nathan Mayne, Mei Ting Mak, Nikolaos Georgakarakos, Duncan Christie, Yajun Zhu, Zhaojin Rong, Jinlian Ma, Xiaobo Li, Shi Chen, and Hai Zhou, Modeling Atmospheric Ion Escape from Kepler-1649 b and c over Time, The Astrophysical Journal Letters, 2025, 994, L50.https://doi.org/10.3847/2041-8213/ae1a65

（供稿：系统室、天气室）