據(jù)英國(guó)廣播公司(BBC)網(wǎng)站報(bào)道，什么樣的星球才是宜居的？我們首先想到的當(dāng)然是水，液態(tài)水。以液體狀態(tài)存在的水體是地球上生命生存的基礎(chǔ)。
不出意外，一定會(huì)有人對(duì)這樣的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑，他們認(rèn)為或許生命在其他環(huán)境條件下也會(huì)出現(xiàn)，甚至是在完全沒(méi)有水參與的情況下出現(xiàn)?；蛟S這種觀點(diǎn)不能被完全排除，但請(qǐng)看一看我們的周圍吧生命在地球上欣欣向榮，而在太陽(yáng)系其他沒(méi)有液態(tài)水的星球上卻尚未發(fā)現(xiàn)任何生命存在的線索。
基于這一事實(shí)，讓我們來(lái)審視在一顆恒星，比如我們的太陽(yáng)周圍宜居帶的經(jīng)典定義，即：行星圍繞恒星運(yùn)行的軌道距離適中，從而允許水體以液態(tài)形式存在的距離范圍。
天體物理學(xué)家們非常擅長(zhǎng)計(jì)算一顆恒星的溫度，隨后根據(jù)一顆行星與這顆恒星之間的距離，他們就能非常輕易地計(jì)算得到這顆行星的所謂平衡溫度。但這樣僅僅考慮距離得到的溫度數(shù)值是很容易出現(xiàn)偏差的，因?yàn)橛泻芏嘁蛩乜梢杂绊懩愁w行星上的實(shí)際溫度。
溫室氣體
如果這顆行星上覆蓋著云層會(huì)如何？云層會(huì)強(qiáng)烈反射陽(yáng)光，從而導(dǎo)致行星降溫，這樣就會(huì)把經(jīng)典宜居帶定義中的內(nèi)側(cè)邊界向著靠近恒星的方向推移。有趣的是，如果我們計(jì)算得到地球的平衡溫度并考慮地球上的云層覆蓋量，那么我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)地球?qū)嶋H上是在經(jīng)典宜居帶范圍之外的！類似的，用相同方法計(jì)算得到的金星地表溫度應(yīng)該是在-10攝氏度左右，但金星地表的實(shí)際溫度卻高達(dá)450攝氏度！
發(fā)生了什么？
不管是地球還是金星，這兩顆行星的大氣中陡含有溫室氣體，這些氣體造成的溫室效應(yīng)會(huì)在一定程度上提升行星的近地表溫度，從而將經(jīng)典宜居帶的外側(cè)邊界向著遠(yuǎn)離恒星的方向推移。這種將云量以及溫室效應(yīng)都考慮在內(nèi)的宜居帶計(jì)算方法，相比經(jīng)典的宜居帶定義方式是一項(xiàng)改進(jìn)。
然而這種更加精確的方法目前并無(wú)法被應(yīng)用到距離遙遠(yuǎn)的系外類地行星上去，由于距離太過(guò)遙遠(yuǎn)，我們無(wú)法了解那些系外行星上是否存在云層或溫室氣體，我們甚至無(wú)法確定這些行星是否擁有大氣層！因此，至少在目前的階段，我們根本就沒(méi)有辦法斷言某顆系外行星是否就一定是符合這種宜居定義的。
什么是系外行星？
系外行星是指太陽(yáng)系之外的行星，也就是說(shuō)圍繞除了太陽(yáng)之外其他恒星運(yùn)行的行星。第一顆被發(fā)現(xiàn)的系外行星是在1992年，它圍繞一顆脈沖星運(yùn)行。脈沖星是一類發(fā)出強(qiáng)烈電磁輻射的中子星。
幾年后，飛馬座51b被發(fā)現(xiàn)，這顆系外行星圍繞一顆與太陽(yáng)相似的恒星運(yùn)行。借助各種相關(guān)技術(shù)，截至目前人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過(guò)1000顆系外行星，另外還有數(shù)千顆的疑似目標(biāo)正等待后續(xù)確認(rèn)。在所有這些系外行星中，有很多是體積較大，與木星或海王星更加類似的類型，并且其中很大一部分都運(yùn)行在距離恒星非常近的軌道上。這樣的結(jié)果引發(fā)了有關(guān)太陽(yáng)系形成與演化新觀點(diǎn)的提出。
除此之外，你還必須考慮行星圍繞運(yùn)行的恒星的種類：質(zhì)量越大，溫度越高的恒星，其周圍宜居帶范圍的位置距離恒星本身就越遠(yuǎn)；與之相反，質(zhì)量小且溫度低的恒星，它們周圍宜居帶的位置距離恒星就要近得多。事實(shí)上，對(duì)于那些溫度很低，質(zhì)量非常小的紅矮星，圍繞它們運(yùn)行的行星上的一年長(zhǎng)度大約僅相當(dāng)于地球上的幾天時(shí)間，并且這些行星所能接收到的恒星光熱也非常有限。
恒星耀斑
但是，圍繞紅矮星運(yùn)行的行星還面臨著另外一個(gè)棘手的問(wèn)題。那就是紅矮星上發(fā)生強(qiáng)烈耀斑的頻率相比太陽(yáng)這樣的恒星要高得多，這樣的劇烈爆發(fā)會(huì)釋放出大量的高能粒子流和X射線?？紤]到這些行星距離紅矮星的軌道非常近，這種情況下就很可能造成嚴(yán)重的后果，比如大氣層丟失。強(qiáng)烈的輻射還將對(duì)生物體造成不可逆的嚴(yán)重?fù)p害，X射線可以導(dǎo)致水分子分解，從而造成行星地表水體的消亡。很顯然這樣的地方可能并非適合生命生存的地方。
那么或許在那些溫度比較高的恒星周圍會(huì)是比較好的選擇，在那里，圍繞恒星的宜居帶距離恒星更遠(yuǎn)。
然而情況同樣沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，在這里我們將要面對(duì)一個(gè)不同的問(wèn)題大質(zhì)量恒星是一個(gè)真正的燃料黑洞。的確，它們擁有巨量的燃料可供燃燒，但與此同時(shí)大質(zhì)量恒星消耗燃料的速度卻也要快得多，因此它們的壽命相比小質(zhì)量恒星會(huì)顯得非常短暫。
比如說(shuō)，宇宙中一些質(zhì)量最大的恒星的壽命僅有數(shù)百萬(wàn)年時(shí)間，而我們的太陽(yáng)的壽命則是在100億年的量級(jí)上。
根據(jù)地球上生命起源的事實(shí)進(jìn)行推算，考慮到大質(zhì)量恒星如此短暫的壽命，在它周圍的行星上，即便是最簡(jiǎn)單的生命形式都沒(méi)有時(shí)間出現(xiàn)。
那么就讓我們回到另一頭，再回頭去看看那些低溫，小質(zhì)量的紅矮星，它們的壽命可以超過(guò)1000億年，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了宇宙迄今的年齡。
不過(guò)，如果有一顆圍繞紅矮星運(yùn)行的系外行星經(jīng)受住了這樣的狂轟濫炸并成功地保住了自己的大氣層，那么經(jīng)歷如此長(zhǎng)的時(shí)間，在它的上面或許會(huì)進(jìn)化出生命，并逐漸找到應(yīng)對(duì)這種頻繁爆發(fā)輻射事件的方法？
溫度變化
不過(guò)，圍繞紅矮星運(yùn)行的行星還有另外一個(gè)問(wèn)題需要應(yīng)對(duì)，這個(gè)問(wèn)題是關(guān)于恒星生命周期內(nèi)的光度變化。紅矮星這種小質(zhì)量恒星在其一生之中，其光度會(huì)出現(xiàn)非常劇烈的變化。
以我們的太陽(yáng)為例，在太陽(yáng)的整個(gè)生命周期內(nèi)，其光度的改變幅度約為30%左右。但相比之下，一顆紅矮星的光度變化幅度卻高達(dá)10倍左右！因此，圍繞紅矮星運(yùn)行的系外行星在不同的時(shí)期內(nèi)可能將要應(yīng)對(duì)極端的高溫和極度的寒冷，溫度的長(zhǎng)期變化將是極端的。
有一種理論，被稱作孤獨(dú)地球(rare-Earth)。這一理論有它一定的道理，其核心觀點(diǎn)是：由于地球在一些雖有隨機(jī)性的歷史事件中具備了一些非常獨(dú)特的，其他星球所不具備的條件，因此才能夠成為生命繁衍的樂(lè)園。這樣的證據(jù)可以舉出很多，比如說(shuō)木星的存在。強(qiáng)大的木星引力在太陽(yáng)系早期歷史上可能曾經(jīng)幫助地球阻擋并驅(qū)逐了大量原本將會(huì)撞擊地球的小天體和彗星；另外還有月球的存在，后者幫助穩(wěn)定了地球的自轉(zhuǎn)。
好了，以上所有這一切基本上都充滿著悲觀的氛圍，但所有這一切都只是為了說(shuō)明給出宜居帶的精確定義是多么的困難，而并非暗示認(rèn)宇宙中必定存在著其他生命，或是我們根本就不可能找到地外生命。
目前已經(jīng)有一些令人激動(dòng)的項(xiàng)目正計(jì)劃實(shí)行，如歐洲空間局(ESA)計(jì)劃在2024年發(fā)射升空的柏拉圖探測(cè)器(Plato mission)。該項(xiàng)目旨在搜尋那些大小與地球接近，在距離與地球相近的軌道上圍繞一顆與太陽(yáng)相似的恒星運(yùn)行的系外行星目標(biāo)。
符合這些條件的系外行星將是后續(xù)精密觀測(cè)的目標(biāo)，并最終開啟在這些系外行星大氣中直接搜尋生命信號(hào)的大門。這或許聽上去像是天方夜譚一般遙遠(yuǎn)，但請(qǐng)記住，僅僅在20年前，我們甚至還不曾知曉任何一顆位于太陽(yáng)系外的行星，而現(xiàn)在我們已經(jīng)確認(rèn)的系外行星就已經(jīng)有1000多顆，而僅僅就在過(guò)去的幾年時(shí)間里，我們就順利地發(fā)現(xiàn)了地球大小的巖石行星。
在短短20年間，系外行星天文學(xué)已經(jīng)經(jīng)歷了爆發(fā)式的發(fā)展，或許再過(guò)20年，我們今天在本文中所描述的觀點(diǎn)將會(huì)被證明是徹底錯(cuò)誤的，而這或許就是科學(xué)發(fā)展與進(jìn)步的方式。
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