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完美的宜居行星
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Colin Stuart 文 Shea 编译 |
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有不止一种方式可以让一个星球变得适宜居住。 “Eppur si muove”——“但是它确实在动”。据报道，伽利略在1633年被判异端后如是说，这也许是科学上最著名的嘀咕还击。利用新发明的望远镜，伽利略看到了许多有悖于宇宙万物都在围绕地球转动的现象，例如围绕木星转动的卫星以及因阳光照射角度变化而导致的金星盈亏——如果金星围绕地球转就不可能出现这一现象。所有这一切都使得伽利略引领了哥白尼革命，后者提出包括地球在内的所有行星都在围绕太阳公转。 差不多四个世纪之后，我们又处在了另一场对宇宙认识革命的风口浪尖之上。从地球上我们现在已经发现了近2000颗围绕其他恒星公转的行星。来自美国宇航局开普勒空间望远镜等观测设备的海量信息，再加上对行星以及恒星系统运转机制的进一步认识，都在迫使我们重新思考另一个地心观点——一颗能承载生命的行星看上去会是什么样子。渐渐地，我们关于另一个的“地球”假设似乎都是错误的。随着搜索的继续，我们可能需要谨记，它也许会和我们的地球完全不同。 在评估一颗行星是否能承载生命的时候，很多事情我们都会想当然。首当其冲的便是，如果其他星球上确有类似地球上的生命存在，那它们将会是基于碳——碳化学具有无与伦比的复杂性——并需要液态水来作为重要的溶剂。这种假设直接导致了于20世纪50年代首次被引入的宜居带概念。它被定义为某颗恒星周围可以有液态水存在的一个狭窄区域。太靠近恒星，行星上的水就会蒸发掉；而离得太远，水则会冻结。只有在中间的“黄金地段”——既不太热也不太冷，正正好好的地方——生命才能蓬勃兴旺。  [图片来源]：版权：Logan Brinkley。 我们的太阳拥有着一颗承载着生命的行星。在我们的银河系中，有四分之三的恒星是比太阳更暗弱的红矮星，它们所能输出的热量相比之下要少得多。红矮星的宜居带会非常靠近它，近到位于其中的任何行星都会被“潮汐锁定”：其宿主恒星的引力使得它始终只有一侧朝向前者。这一面将要经受日光无尽炙烤和灼热的温度，而另一侧则会在永久的黑暗中封冻——对与生命而言绝非理想的环境。在我们的太阳系中，已知最靠近太阳的是水星。虽然没被潮汐锁定，但它仍经历着昼夜半球之间600℃的温差。 正因为距离太阳足够远，地球才能稳定地自转，使得太阳的热量可以均匀地播撒到其表面的各个地方。随着地球的自转，它还在宜居带中走出了一条近乎完美的圆形轨迹——不过，根据最新的研究，它比我们过去想像的更靠近其高温的内边界。我们非常大的卫星则是另一个福音：它的引力确保了地球自转的倾角只会小幅变化。把所有这些因素加起来就为生命的蓬勃发展提供了一个诱人而稳定的环境。 这也意味着，当开普勒空间望远镜于2009年3月发射时，它有一个目标：寻找另一个地球。这架望远镜以天文学家开普勒命名，后者在1619年第一个发现了行星轨道距离和公转周期之间的数学关系。该任务计划工作3年也绝非巧合。地球要花1年的时间来绕太阳公转一周，因此在一颗类太阳恒星周围宜居带中相似位置上的另一颗相似的行星也要花同样的时间来做轨道运动。3年的时间足以探测到这样一颗行星3次从其宿主恒星前方经过，进而确认它的存在。 不过“开普勒”还没有看到这样的天体。早在2011年它确实就已经发现了宜居带中的行星开普勒-22b，到2013年则又发现了开普勒-61b和开普勒-62e。但它们完全不像地球——三者都是大得多的“超级地球”。大多数模型认为，这些行星较强引力会使得其的表面变得平坦，使得水更容易吞没陆地。陆地比水体更易升温和冷却，因此地球上的各大洲在调节气候中起着举足轻重的作用。英国莱斯特大学的天体生物学家刘易斯·达特内尔（Lewis Dartnell）说：“海洋行星可能更易导致气候不稳定，所以不太宜居。” 古怪的行星 美国加州大学伯克利分校的杰弗里·马西（Geoffrey Marcy）和他的同事还分析了因行星的引力所造成的其宿主恒星所发出光线的变化。虽然在“开普勒”的发现中有四分之三体积大于地球，但其质量却完全不足以成为富含水的岩质行星。相反，它们必定是较轻的行星，更像是迷你海王星，其岩质核心被含有大量氢和氦的浓厚大气层所包裹。马西说：“这引发了一种担忧，即占据主导的行星类型可能并不适宜生命。” 此外，“开普勒”还发现了各种各样奇怪而不寻常的行星。例如，开普勒-47系统拥有2颗恒星和至少3颗行星。另有一些有着大椭圆轨道的行星，它们的这一大偏心率轨道与太阳系行星典型的近圆轨道有着显著的差异。它们更像是彗星，会从外部冰冷的区域进入内部较温暖的区域。也许最意想不到的发现是开普勒-11——我们太阳系的微缩版，它所拥有的6颗行星中有5颗到其宿主恒星的距离比水星到太阳的还要小。美国麻省理工学院的行星科学家莎拉·西格（Sara Seager）说：“只要在物理学规律之内，一切都皆有可能。” 乍看起来，这些都不是我们所认为的生命栖息地所应具备的特质。不过，也正是这些观测事实在促使我们开始重新思考。马西说：“也许我们犯了和哥白尼时代前相似的错误，即认为我们是特殊的，所有宜居的行星都必须具有和地球相同的属性。” 有意思的是，对这一观念的改变部分源自对地球上生命更仔细的研究。在过去的几年中，已经发现了存在于地球深处的生物——最令人吃惊的是生活在南非最深的金矿3.6千米底部的线虫。由于科学家们只研究了地下可能栖息地中的一小部分，于是达特内尔甚至在几年前就得出了一个与我们的观念迥异的结论。他说：“地球深处生物圈中的生命数量要远远超过地球表面我们所熟悉的生态系统。” 这对于其他星球上的生命也会带来影响。英国阿伯丁大学的肖恩·麦克马洪（Sean McMahon）说：“一旦地下生物圈也被考虑在内，有更多的行星会被认为是宜居的。”2013年9月，麦克马洪和两位同事发表了一篇论文来研究在行星核心的加热下地下水中存在生命的可能性。水体所处的深度越大，它就可以更好地免受外界温度的影响，从而这颗行星到其宿主恒星的距离可以进一步加大。5千米之下的生命可以在轨道半径是传统宜居带的3倍远的行星上存活。如果深至10千米，其宜居带则可以扩展到土星的轨道之外——是目前类太阳恒星周围可接受距离的14倍。 这一想法也意味着我们不能排除在外太阳系存在地下生命的可能性。在木卫二绕木星转动的过程中，木星的作用在它之上的潮汐摩擦可以融化其表面壳层之下的水冰，也许由此制造了一个可供生命起源的地下海洋。 在2014年1月召开的美国天文学会会议上，美国韦伯州立大学的约翰·阿姆斯特朗（John Armstrong）提出了另一种可以让宜居带位置发生变化的可能情况。地球有月球来稳定其自转轴也许是个福音，但不断变化的自转轴倾角未必就一定是坏事：它正好可以改变游戏的规则。他说：“自转轴倾角的变化可以抑制极地冰盖的积聚，使得被反射入太空的热量减少。”根据他的模型，一颗摇摆的行星也许可以在两倍于自转轴稳定的行星的距离上维持液态水的存在。 通过观测极冠反射星光所造成的亮度变化，未来的望远镜也许可以观测到这一自转轴倾角的变化。然而，这样一颗行星未必会拥有类似地球上的生命形式。“目前还不清楚，在这样一颗气候迅猛变化的行星上，由多细胞动物和植物构成的生态系统会有多复杂，”达特内尔说，“但对于地表之下的细菌而言，可能根本不受影响。” 如果宜居带可以向远离宿主恒星的地方拓展，其影响将会是深远的，因为这至少可以让诸如红矮星这样的暗弱恒星重归赛场：承载生命的行星可以远离其宿主恒星，进而可以避免被潮汐锁定。不过，根据在过去十年中所发展出的更先进的气候模型，即使是潮汐锁定可能也不是太大的问题。研究表明，如果一颗被潮汐锁定的行星具有和地球相同的富氮大气，那么热量可以有效地被输送其永久的黑夜面，形成一个更加平衡且宜人的气候环境。 更靠近恒星的家 2013年，由美国芝加哥大学的多里安·阿博特（Dorian Abbot）及其同事所建立的潮汐锁定行星的三维大气模型进一步强调了红矮星潜在的宜居性。它提出一种诱人的可能性：在恒星固定的光照直射点之下，云会更加容易地形成。 云层会把更多的辐射反射回太空，这意味着一颗阴云密布的行星可以在维持其适宜温度的情况下更加靠近其宿主恒星——向内拓展了宜居带的边界。阿博特说：“这使得红矮星周围可能宜居的行星数量翻了一倍。”考虑到红矮星占据了我们的银河系中恒星的主导，这极大地增加了潜在宜居行星的数量以及找到它们的机会（见“‘开普勒’起死回生”）。 事实上，围绕一些恒星的宜居带可能是一场可以移动的盛宴。美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家格雷格·劳克林（Greg Laughlin）研究表明，液态水以及生命甚至可以出现在一颗以类彗星大椭圆轨道运动的行星上。在它最接近宿主恒星的过程中，在几个小时的时间里其温度可以上升20倍——但劳克林说，这颗行星也许完全可以承受这一点。虽然它赤道上的温度如同烤箱，但在高纬度地区热量会迅速消散，那里的水仍能保持液态而不沸腾。同时，在此期间宿主恒星所施加的极端潮汐力就为其核心注入了引力能，为它在远离宿主恒星时提供热源。 这样的一颗行星是否能承载多细胞生物仍有争议：很难搞清楚光合作用生命体是否能应付这种光照大幅变化的环境。达特内尔说：“它们将会与地球上的大为不同，我们需要保持开放的思维。”至少这样的行星会更容易被发现：它们会更靠近其宿主恒星，当它们从其前方经过时引发更为明显的恒星亮度下降。劳克林说：“发现这些行星的概率由此可以提高10倍。” 一条一条地，我们所建立起的“规则”——承载生命的行星必定与我们的地球类似——开始分崩离析。阿姆斯特朗甚至更进一步，认为有别于地球的行星也许更有利于生命。和加拿大麦克马斯特大学的勒内·海勒（René Heller）一起，他最近提出了“超宜居”行星的概念，认为由一颗质量比太阳小的恒星和一颗质量比地球的大行星所组成的系统有着更显著的优势，例如版块构造活动速度较慢并且来自恒星的高能辐射也较少。 这对于地球的尊严来说，可能是一个打击。但正如几个世纪前，我们不再认为地球是宇宙的中心，现在也许是时候不再把地球当成是宜居行星的典范了。西格说，在寻找宇宙别处生命的过程中，我们需要保持开放的头脑，“如果仅局限于另一个地球，那我们只会固步自封。”
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[New Scientist 2014年3月15日]
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