什麼樣的星球才宜居？關於系外行星宜居性探討

新浪科技訊 北京時間8月18日消息，據英國廣播公司(BBC)網站報導，什麼樣的星球才是宜居的？我們首先想到的當然是水，液態水。以液體狀態存在的水體是地球上生命生存的基礎。

不出意外，一定會有人對這樣的觀點提出質疑，他們認為或許生命在其他環境條件下也會出現，甚至是在完全沒有水參與的情況下出現。或許這種觀點不能被完全排除，但請看一看我們的周圍吧——生命在地球上欣欣向榮，而在太陽系其他沒有液態水的星球上卻尚未發現任何生命存在的線索。

基於這一事實，讓我們來審視在一顆恆星，比如我們的太陽周圍“宜居帶”的經典定義，即：行星圍繞恆星運行的軌道距離適中，從而允許水體以液態形式存在的距離範圍。

天體物理學家們非常擅長計算一顆恆星的溫度，隨后根據一顆行星與這顆恆星之間的距離，他們就能非常輕易地計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值是很容易出現偏差的，因為有很多因素可以影響某顆行星上的實際溫度。

溫室氣體

如果這顆行星上覆蓋雲層會如何？雲層會強烈反射陽光，從而導致行星降溫，這樣就會把經典宜居帶定義中的內側邊界向著靠近恆星的方向推移。有趣的是，如果我們計算得到地球的“平衡溫度”並考慮地球上的雲層覆蓋量，那麼我們就會發現地球實際上是在經典宜居帶範圍之外的！類似的，用相同方法計算得到的金星地表溫度應該是在-10攝氏度左右，但金星地表的實際溫度卻高達450攝氏度！

發生了什麼？

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會在一定程度上提升行星的近地表溫度，從而將經典宜居帶的外側邊界向著遠離恆星的方向推移。這種將雲量以及溫室效應都考慮在內的宜居帶計算方法，相比經典的宜居帶定義方式是一項改進。

然而這種更加精確的方法目前並無法被應用到距離遙遠的系外類地行星上去，由於距離太過遙遠，我們無法了解那些系外行星上是否存在雲層或溫室氣體，我們甚至無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。

什麼是系外行星？

系外行星是指太陽系之外的行星，也就是圍繞除了太陽之外其他恆星運行的行星。第一顆被發現的系外行星是在1992年，它圍繞一顆脈衝星運行。脈衝星是一類發出強烈電磁輻射的中子星。

幾年后，飛馬座51b被發現，這顆系外行星圍繞一顆與太陽相似的恆星運行。借助各種相關技術，截至目前人類已經發現超過1000顆系外行星，另外還有數千顆的“疑似”目標正等待后續確認。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，並且其中很大一部分都運行在距離恆星非常近的軌道上。這樣的結果引發了有關太陽系形成與演化新觀點的提出。

除此之外，你還必須考慮行星圍繞運行的恆星的種類：質量越大，溫度越高的恆星，其周圍宜居帶範圍的位置距離恆星本身就越遠；與之相反，質量小且溫度低的恆星，它們周圍宜居帶的位置距離恆星就要近得多。事實上，對於那些溫度很低，質量非常小的紅矮星，圍繞它們運行的行星上的一年長度大約僅相當於地球上的幾天時間，並且這些行星所能接收到的恆星光熱也非常有限。

恆星耀斑

但是，圍繞紅矮星運行的行星還面臨另外一個棘手的問題。那就是紅矮星上發生強烈耀斑的頻率相比太陽這樣的恆星要高得多，這樣的劇烈爆發會釋放出大量的高能粒子流和X射線。考慮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重的后果，比如大氣層丟失。強烈的輻射還將對生物體造成不可逆的嚴重損害，X射線可以導致水分子分解，從而造成行星地表水體的消亡。很顯然這樣的地方可能並非適合生命生存的地方。

那麼或許在那些溫度比較高的恆星周圍會是比較好的選擇，在那裏，圍繞恆星的宜居帶距離恆星更遠。

然而情況同樣沒有那麼簡單，在這裏我們將要面對一個不同的問題——大質量恆星是一個真正的“燃料黑洞”。的確，它們擁有巨量的燃料可供“燃燒”，但與此同時大質量恆星消耗“燃料”的速度卻也要快得多，因此它們的壽命相比小質量恆星會顯得非常短暫。

比如，宇宙中一些質量最大的恆星的壽命僅有數百萬年時間，而我們的太陽的壽命則是在100億年的量級上。

根據地球上生命起源的事實進行推算，考慮到大質量恆星如此短暫的壽命，在它周圍的行星上，即便是最簡單的生命形式都沒有時間出現。

那麼就讓我們回到另一頭，再回頭去看看那些低溫，小質量的紅矮星，它們的壽命可以超過1000億年，這遠遠超過了宇宙迄今的年齡。

不過，如果有一顆圍繞紅矮星運行的系外行星經受住了這樣的“狂轟濫炸”並成功地保住了自己的大氣層，那麼經歷如此長的時間，在它的上面或許會進化出生命，並逐漸找到應對這種頻繁爆發輻射事件的方法？

溫度變化

不過，圍繞紅矮星運行的行星還有另外一個問題需要應對，這個問題是關於恆星生命周期內的光度變化。紅矮星這種小質量恆星在其一生之中，其光度會出現非常劇烈的變化。

以我們的太陽為例，在太陽的整個生命周期內，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10倍左右！因此，圍繞紅矮星運行的系外行星在不同的時期內可能將要應對極端的高溫和極度的寒冷，溫度的長期變化將是極端的。

有一種理論，被稱作“孤獨地球”(rare-Earth)。這一理論有它一定的道理，其核心觀點是：由於地球在一些雖有隨機性的歷史事件中具備了一些非常獨特的，其他星球所不具備的條件，因此才能夠成為生命繁衍的樂園。這樣的證據可以舉出很多，比如木星的存在。強大的木星引力在太陽系早期歷史上可能曾經幫助地球阻擋並驅逐了大量原本將會撞擊地球的小天體和彗星；另外還有月球的存在，后者幫助穩定了地球的自轉。

好了，以上所有這一切基本上都充滿悲觀的氛圍，但所有這一切都只是為了明給出“宜居帶”的精確定義是多麼的困難，而並非暗示認宇宙中必定存在其他生命，或是我們根本就不可能找到地外生命。

目前已經有一些令人激動的項目正計劃實行，如歐洲空間局(ESA)計劃在2024年發射升空的“柏拉圖”探測器(Plato mission)。該項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相似的恆星運行的系外行星目標。

符合這些條件的系外行星將是后續精密觀測的目標，並最終開啟在這些系外行星大氣中直接搜尋生命信號的大門。這或許聽上去像是天方夜譚一般遙遠，但請記住，僅僅在20年前，我們甚至還不曾知曉任何一顆位於太陽系外的行星，而現在我們已經確認的系外行星就已經有1000多顆，而僅僅就在過去的幾年時間裏，我們就順利地發現了地球大小的岩石行星。

在短短20年間，系外行星天文學已經經歷了爆髮式的發展，或許再過20年，我們今天在本文中所描述的觀點將會被證明是徹底錯誤的，而這或許就是科學發展與進步的方式。(晨風)