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什么样的星球才宜居?

时间:2015年08月20日 09:09 来源:童年网


据英国广播公司(BBC)网站报道,什么样的星球才是宜居的?我们首先想到的当然是水,液态水。以液体状态存在的水体是地球上生命生存的基础。

不出意外,一定会有人对这样的观点提出质疑,他们认为或许生命在其他环境条件下也会出现,甚至是在完全没有水参与的情况下出现。或许这种观点不能被完全排除,但请看一看我们的周围吧——生命在地球上欣欣向荣,而在太阳系其他没有液态水的星球上却尚未发现任何生命存在的线索。

基于这一事实,让我们来审视在一颗恒星,比如我们的太阳周围“宜居带”的经典定义,即:行星围绕恒星运行的轨道距离适中,从而允许水体以液态形式存在的距离范围。

天体物理学家们非常擅长计算一颗恒星的温度,随后根据一颗行星与这颗恒星之间的距离,他们就能非常轻易地计算得到这颗行星的所谓“平衡温度”。但这样仅仅考虑距离得到的温度数值是很容易出现偏差的,因为有很多因素可以影响某颗行星上的实际温度。

温室气体

如果这颗行星上覆盖着云层会如何?云层会强烈反射阳光,从而导致行星降温,这样就会把经典宜居带定义中的内侧边界向着靠近恒星的方向推移。有趣的是,如果我们计算得到地球的“平衡温度”并考虑地球上的云层覆盖量,那么我们就会发现地球实际上是在经典宜居带范围之外的!类似的,用相同方法计算得到的金星地表温度应该是在-10摄氏度左右,但金星地表的实际温度却高达450摄氏度!

发生了什么?

不管是地球还是金星,这两颗行星的大气中陡含有温室气体,这些气体造成的温室效应会在一定程度上提升行星的近地表温度,从而将经典宜居带的外侧边界向着远离恒星的方向推移。这种将云量以及温室效应都考虑在内的宜居带计算方法,相比经典的宜居带定义方式是一项改进。

然而这种更加精确的方法目前并无法被应用到距离遥远的系外类地行星上去,由于距离太过遥远,我们无法了解那些系外行星上是否存在云层或温室气体,我们甚至无法确定这些行星是否拥有大气层!因此,至少在目前的阶段,我们根本就没有办法断言某颗系外行星是否就一定是符合这种“宜居”定义的。

什么是系外行星?

系外行星是指太阳系之外的行星,也就是说围绕除了太阳之外其他恒星运行的行星。第一颗被发现的系外行星是在1992年,它围绕一颗脉冲星运行。脉冲星是一类发出强烈电磁辐射的中子星。

几年后,飞马座51b被发现,这颗系外行星围绕一颗与太阳相似的恒星运行。借助各种相关技术,截至目前人类已经发现超过1000颗系外行星,另外还有数千颗的“疑似”目标正等待后续确认。在所有这些系外行星中,有很多是体积较大,与木星或海王星更加类似的类型,并且其中很大一部分都运行在距离恒星非常近的轨道上。这样的结果引发了有关太阳系形成与演化新观点的提出。

除此之外,你还必须考虑行星围绕运行的恒星的种类:质量越大,温度越高的恒星,其周围宜居带范围的位置距离恒星本身就越远;与之相反,质量小且温度低的恒星,它们周围宜居带的位置距离恒星就要近得多。事实上,对于那些温度很低,质量非常小的红矮星,围绕它们运行的行星上的一年长度大约仅相当于地球上的几天时间,并且这些行星所能接收到的恒星光热也非常有限。

恒星耀斑

但是,围绕红矮星运行的行星还面临着另外一个棘手的问题。那就是红矮星上发生强烈耀斑的频率相比太阳这样的恒星要高得多,这样的剧烈爆发会释放出大量的高能粒子流和X射线。考虑到这些行星距离红矮星的轨道非常近,这种情况下就很可能造成严重的后果,比如大气层丢失。强烈的辐射还将对生物体造成不可逆的严重损害,X射线可以导致水分子分解,从而造成行星地表水体的消亡。很显然这样的地方可能并非适合生命生存的地方。

那么或许在那些温度比较高的恒星周围会是比较好的选择,在那里,围绕恒星的宜居带距离恒星更远。

然而情况同样没有那么简单,在这里我们将要面对一个不同的问题——大质量恒星是一个真正的“燃料黑洞”。的确,它们拥有巨量的燃料可供“燃烧”,但与此同时大质量恒星消耗“燃料”的速度却也要快得多,因此它们的寿命相比小质量恒星会显得非常短暂。

比如说,宇宙中一些质量最大的恒星的寿命仅有数百万年时间,而我们的太阳的寿命则是在100亿年的量级上。

根据地球上生命起源的事实进行推算,考虑到大质量恒星如此短暂的寿命,在它周围的行星上,即便是最简单的生命形式都没有时间出现。

那么就让我们回到另一头,再回头去看看那些低温,小质量的红矮星,它们的寿命可以超过1000亿年,这远远超过了宇宙迄今的年龄。

不过,如果有一颗围绕红矮星运行的系外行星经受住了这样的“狂轰滥炸”并成功地保住了自己的大气层,那么经历如此长的时间,在它的上面或许会进化出生命,并逐渐找到应对这种频繁爆发辐射事件的方法?

温度变化

不过,围绕红矮星运行的行星还有另外一个问题需要应对,这个问题是关于恒星生命周期内的光度变化。红矮星这种小质量恒星在其一生之中,其光度会出现非常剧烈的变化。

以我们的太阳为例,在太阳的整个生命周期内,其光度的改变幅度约为30%左右。但相比之下,一颗红矮星的光度变化幅度却高达10倍左右!因此,围绕红矮星运行的系外行星在不同的时期内可能将要应对极端的高温和极度的寒冷,温度的长期变化将是极端的。

有一种理论,被称作“孤独地球”(rare-Earth)。这一理论有它一定的道理,其核心观点是:由于地球在一些虽有随机性的历史事件中具备了一些非常独特的,其他星球所不具备的条件,因此才能够成为生命繁衍的乐园。这样的证据可以举出很多,比如说木星的存在。强大的木星引力在太阳系早期历史上可能曾经帮助地球阻挡并驱逐了大量原本将会撞击地球的小天体和彗星;另外还有月球的存在,后者帮助稳定了地球的自转。

好了,以上所有这一切基本上都充满着悲观的氛围,但所有这一切都只是为了说明给出“宜居带”的精确定义是多么的困难,而并非暗示认宇宙中必定存在着其他生命,或是我们根本就不可能找到地外生命。

目前已经有一些令人激动的项目正计划实行,如欧洲空间局(ESA)计划在2024年发射升空的“柏拉图”探测器(Plato mission)。该项目旨在搜寻那些大小与地球接近,在距离与地球相近的轨道上围绕一颗与太阳相似的恒星运行的系外行星目标。

符合这些条件的系外行星将是后续精密观测的目标,并最终开启在这些系外行星大气中直接搜寻生命信号的大门。这或许听上去像是天方夜谭一般遥远,但请记住,仅仅在20年前,我们甚至还不曾知晓任何一颗位于太阳系外的行星,而现在我们已经确认的系外行星就已经有1000多颗,而仅仅就在过去的几年时间里,我们就顺利地发现了地球大小的岩石行星。

在短短20年间,系外行星天文学已经经历了爆发式的发展,或许再过20年,我们今天在本文中所描述的观点将会被证明是彻底错误的,而这或许就是科学发展与进步的方式。


编辑:季书弘  作者: