宜居行星在哪里 什么样的行星才适合人类生存

伤我心太深

　　寻觅可居住的行星

　　麻省理工学院行星科学和物理学教授萨拉·西格说：“如果我们能够识别出另一颗类似地球的行星，从起初认为一切均围绕着我们地球旋转，到如今知道存在着很多其他类地行星，这就形成一个完整的认识过程。”

　　在我们的太阳系之外找到数千颗行星被认为是人类探索中的“欣喜发现”。但是最大的回报还没有到来：获取一个遥远的可居住世界的证据。


　　我们自熟悉的地面开始搜索，因为我们这个星球目前是具有生命的唯一的例子。在我们星球上，水是不可缺少的，因此天文学家在宇宙中搜索与之类似的环境。围绕几乎每个“正常”的星体，包括我们的太阳，我们可以勾画出一个潜在的居住条件，即：存在液态水所需的合适的距离与温度。恒星和行星有很多种类并且大小各异，这些因素的相互作用决定了这个“可居住区域”的范围。

　　相对个头更小、温度更低的矮恒星而言，一个巨大灼热恒星的可居住区域距离它较远。如果按照我们的计划，首先根据已知信息进行搜索，那么较小的岩石世界是我们寻找生命证据最好的选择。

　　因此，尽管科学家对构成可居住区域的认识在不断深化，最理想的选择仍是位于恒星可居住区域内的一个地球大小的岩石世界。


　　渴望合适的恒星

　　事情还远没有结束。虽然行星和恒星的大小和组成对可居住性而言至关重要，但是时间因素也很关键。体型大且明亮的恒星比那些更温和的恒星燃烧得更快，它们燃烧最亮的时间只有几百万年，然后就开始熄灭了;而我们的太阳已经持续闪耀了45亿年，还将持续50亿年。届时，太阳将会膨胀数倍，可能会吞噬地球和其他内部行星，任何地球生命都将被烤焦。

　　地球的形成源于初始太阳的原始星盘的灰尘和块状物质。第一批微观生命常常被认为是地球形成之后大约10亿年出现的，大约又经过30亿年，多细胞宏观生物才出现，它们的印迹开始在化石中被发现。


　　几亿年的时间可能足够产生微生物，但对形成大型动物，特别是那些开口说话和建立射电望远镜的物种来说，这个时间跨度可能会太短。因此，我们需要将那些大而亮的恒星排除在寻找名单之外。

　　另一方面，长寿的矮恒星可能是应该寻找的地方。甚至那些拥有近距离的可居住区域的星体，因为它们会被潮汐锁定，总是同一面朝向恒星，所以科学家曾经认为这样的世界一面会被烤焦，另一面会被冻结，不适宜生命生存。但是，通过进一步的建模和观察，发现这些行星环绕的风可以消除其影响，为这些世界提供温和的气候。


　　最安全的赌注可能是那些类似太阳的恒星，它们拥有与地球大小相当和类似轨道的行星。

　　伴星會使行星显得更小

　　在搜寻类似地球的系外行星时，很重要的一点是对行星的密度进行比较。低密度行星更可能是类似木星的气态行星，而高密度意味着该行星有可能与地球这样的岩质行星相似。但美国航空航天局喷气推进实验室的最新研究发现，某些行星的高密度很可能是由系统中隐藏的第二颗恒星造成的假象，它们本身并不具有这么高的密度。

　　在太空中进行定向观测的望远镜无法区分所有的单恒星系统和双恒星系统。即使使用美国航空航天局的开普勒空间望远镜这样的精密设备，两颗紧密绕行的恒星在图像中看起来可能也只是一个光点。来自加州理工大学红外处理分析中心、美国航空航天局系外行星科学研究所的伊莉斯·弗兰，以及美国航空航天局艾姆斯研究中心的斯蒂文·豪厄尔指出，这可能会对估算围绕其中一颗恒星运行的行星的体积具有重大影响。

　　“随着获取到更多有关恒星的信息，围绕它们的行星中，有多少是类似地球的小型行星，有多少是像木星那样的大型行星，我们关于这些问题的答案可能会随之改变。”弗兰说，“只有充分了解了恒星，才能对它们的行星有准确的认识。”


　　许多已经研究透彻的系外行星都是围绕单颗恒星的。我们已经知道，开普勒186f这颗和地球大小近似的行星，处在恒星的宜居带里，并且它的母星没有伴星。表面温度极低的红矮星TRAPPIST-1具有7颗地球大小的行星，它也没有伴星。在这些情况下，行星直径的估测不会受到影响，因此获得的行星密度也是准确的。


　　但是，最近获得的高分辨率图像显示，其他恒星附近存在着伴星。美国航空航天局系外行星科学研究所的首席科学家大卫·恰尔迪领导了一项大规模研究，利用多个地面望远镜对开普勒空间望远镜观测到的恒星进行追踪。和其他研究一起，他们确证这些恒星当中具有行星的，大多是双恒星系统。在此之前，天文学家计算行星直径时并没有将另一颗恒星的影响考虑在内。这意味着对这些行星体积的估计值与实际值相比偏小，行星密度的估计值则偏高了。



　　此前的研究认为，太阳系周边区域里的同类恒星，大约有1/2在10000天文单位内有一颗伴星。基于这一估计，开普勒空间望远镜观测到的恒星中，有15%可能拥有一颗明亮的近距离伴星，也就是说，这些恒星周围的行星或许比之前推测的密度要小。


　　双恒星系统的凌星问题


　　当望远镜观测到凌星现象，也就是行星从它所属的恒星前方通过时，天文学家可以测量恒星亮度的衰减。凌星时被挡住的光线多少取决于行星的大小——行星越大，挡住的光线越多，观测到的亮度衰减就越强。科学家用这些信息来推算行星的半径。

　　如果是双恒星系统，望远镜测量到的则是两颗恒星亮度的综合。但是行星只围绕其中一颗恒星公转，也只会造成这颗恒星的亮度衰减。因此，如果没有将第二颗恒星考虑进来，对行星体积的估计就会偏小。

　　举例来说，如果望远镜观测到恒星亮度衰减5%，科学家会按照单恒星的情况来推算凌星的行星的体积。但是，如果有第二颗恒星增加系统的整体亮度，为了造成同样程度的亮度衰减，行星的体积应当更大。

　　如果行星绕双恒星系统中较亮的恒星公转，系统中大部分亮度来自这颗被绕行的恒星，在估算行星体积时的影响不会很大。但是，如果行星绕行的是亮度较低的恒星，另一颗恒星对整个系统的亮度贡献更大，推测出的行星半径就可能要进行较大的调整了，估算值可能是实际值的2倍、3倍，甚至更多。而行星半径会影响对其轨道距离的估算，进而影响对行星是否处于宜居带的判断。

　　如果两颗恒星亮度差不多，那么造成与单恒星系统同等水平的亮度衰减，所需的行星半径要多出40%。因为计算密度时会使用半径的立方，半径增加40%，会造成密度降低至1/3。这项修正对小型行星来说具有重大影响，因为它意味着曾经被定性为岩质行星的，可能实际上是一颗气态行星。

　　在最新的研究当中，弗兰和豪厄尔把在开普勒空间望远镜视场中出现过的50颗行星作为研究对象，这些行星的质量和半径此前都已经估算过。这些行星围绕的恒星在1700天文单位内都有一颗伴星，其中有43颗在估算体积时没有把第二颗恒星的影响考虑在内。这意味着修正它们的估计值是有必要的。

　　在大多数情况下，已知的行星体积不需要进行太大的更改。此前的研究显示，在被选中的50颗行星当中，有24颗围绕双恒星系统中更大并且亮度更高的恒星运转。此外，弗兰和豪厄尔确认，另外11颗行星如果属于双恒星系统中亮度较低的恒星，那么其修正后的体积对行星来说大得不合理。因此，这35颗行星的体积估算值不会有重大变化。

　　但是对其他15颗行星来说，确定它们属于双恒星系統中的哪一颗恒星的难度很大。这15颗行星当中，有5颗所属的双恒星系统拥有两颗亮度基本相等的恒星，因此无论它们属于哪一颗，修正后的密度都会极大降低。


　　这种伴星效应在对开普勒空间望远镜寻找到的数千颗系外行星进行分析时影响巨大。此外，它对美国航空航天局即将启动的凌星系外行星巡天望远镜项目也具有重要作用，该项目计划寻找高亮度恒星以及小型低温恒星附近的体积较小的行星。


　　“在今后的研究中，我们希望观测到的行星类型和体积都和实际情况一致。”豪厄尔说，“正确的行星体积与密度，对将来美国航空航天局的詹姆斯·韦伯空间望远镜选择目标天体至关重要。从大局来说，了解哪些行星是小型的岩质行星，将帮助我们确定在银河系中其他地方发现与地球类似的行星的可能性。”


　　越来越多的可居住世界

　　那么，目前搜索结果如何?在20多年的探索中，通过地面和天基观测，我们在已被搜索的很小范围的星系中，已经确认了超过3200个系外行星。加上一些有待确认的行星，该数量会上升至5600多个。

　　到目前为止，发现的许多行星都是由天然气或冰组成的巨型星体，几乎没有一个固体表面，进而无法拥有温暖的小池塘。但是，我们也在地球大小的行星中找到了一些岩石世界。即使随着未来几年观测技术的进步，我们也不太可能知道已被发现的任何系外生命的确切性质，无论是藻类还是跳跃的六条腿长颈鹿的外壳。然而，在这些类似地球的岩石世界中，我们可以窥视生命所需的条件。但是，我们如何断定是否有人在呢?