行星宜居意味着什么没有标准答案，但新工具会让我们走得更远

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是什么让外星世界适合居住？新的工具和建模软件正在提供线索。

不到一个月前，科学家们宣布，在距地球110光年的一颗系外行星K2-18b的大气层中发现了水蒸气。至关重要的是，这颗行星位于其恒星的“适居带”(该恒星周围的区域温度适宜，适宜液态水存在)。但是这个短语的使用是有争议的。尽管人类肯定不能在K2-18b上生存，但专家们对是否能在那里发现某种形式的极端微生物生命却没有达成一致。它可能在“适居带”，但没人能同意K2-18b是否真的“适居”。
这种分歧的部分原因是我们对K2-18b是什么星球没有达成共识，但也因为有许多不同的方式来定义宜居性。一些科学家认为岩石表面是必不可少的。另一些人认为，微生物可能会找到一种方式在空气中生存，就像细菌在风中飞扬。一些人想要厚而温暖的表面的证据，而另一些人则不确定这是否有必要。
这些都不足为奇。适居性是一个模糊的术语。如果你让一百位科学家来定义是什么让一个星球适合居住，你会得到一百个不同的答案。
华盛顿大学虚拟行星实验室(Virtual Planet Laboratory)的天文学家和天体生物学家罗里·巴恩斯(Rory Barnes)说，“很多讨论都是由已知的情况和我们实际拥有的模拟行星的技术驱动的。
直到最近，我们甚至不知道太阳系外的行星是否普遍存在。天文学家有一些零星的发现，但直到2009年NASA的开普勒太空望远镜启用后，事情才有了进展。开普勒太空望远镜提供了一种更清晰的方法来识别在其恒星前方凌日的行星。
这些观测得到的数据仍极为有限。例如，在2007年，科学家们发现了Gliese 581c，这是第一颗既由岩石构成又位于宜居带内的系外行星。巴恩斯说：“在那个时候，这是人们必须要考虑的两个要求，如果符合才值得继续关注。”
正如我们所知，水对生命是必不可少的，所以，一方面，这是缩小哪些新的世界应该引起我们注意的第一步，非常有用。另一方面，它忽略了生命的其他需求，如碳源、能量源和必需营养素。
没有这些东西的行星几乎和冥王星一样不适合居住。此外，一颗行星不需要居住在宜居带才能居住。木星的卫星木卫二、土星的卫星土卫六和土卫二就是引起天体生物学家兴趣的可能的“海洋世界”的几个例子，尽管它们远在太阳的宜居带之外。
部分问题在于我们不恰当地将这些研究与其他科学隔离开来。“我总是告诉天文学家，如果你想知道什么是宜居性，就去研究生物学，”美国波多黎各大学阿雷西博分校行星宜居实验室主任、行星天体生物学家阿贝尔·门德斯(Abel Mendez)说。许多人担心，天文学家将生物学和气候科学的经验应用于外星世界是不恰当的，而这正是造成如此多此类争论的原因。
相反，“过于以地球为中心是危险的，”巴恩斯说。“我们了解地球是如何运作的，可能会自欺欺人地认为某些特征是生命的必备标志，从而否定生命存在的可能性。“生命可能存在于土卫六、木卫二，甚至金星上，但我们还没有准备好去发现它们。
改进我们的方法意味着我们需要在不同的科学领域之间更好地交换学习和互通数据。这就不得不说到虚拟行星实验室，该实验室成立于2001年，旨在了解宜居行星是如何形成和进化的，以及我们如何在一个真正的系外行星上观察这一过程。实验室的人员包括气候科学家、大气研究人员、计算机科学家、生物学家、地球物理学家和天文学家，他们反映了行星科学应该追求的多学科方法。
该实验室最近推出了VPLanet，这是一款开放的软件，可以模拟一颗行星在数十亿年间的演化过程，主要(但不完全)用于评估这颗行星是否存在或曾经存在潜在的宜居空间，以及它的表面是否有液态水。
VPLanet的模型考虑了一系列不同的动力学，包括内部和地质过程、磁场演化、气候、大气逃逸、旋转效应、潮汐力、轨道、恒星形成和进化、不寻常的条件，如双星系统，以及来自经过的天体的引力扰动。其他研究人员可以编写新的模块来模拟其他物理过程并将其插入软件中。
像VPLanet这样的工具是为了帮助缩小哪些适居带行星(以及其他好的候选行星)是最值得深入研究的，值得利用现有的仪器和即将上线的新仪器去深入发现。但其试图描述一个行星的历史，可能也会促使我们去研究一些通常会忽略不计的系外行星。我们以往认为地球的历史是一场疯狂的进化之旅。但巴恩斯认为，与正在识别的许多其他系外行星的经历相比，我们地球的历史可以说是平淡无奇。
“对于像Proxima b这样的低质量恒星，它们可能经历了相当大的进化，”巴恩斯说。它们的宿主恒星的光度衰减得更快，释放出更多对大气有害的高辐射，还会对轨道行星产生更多的潮汐效应——这些事情可能会极大地颠覆一颗行星能否维持生命的演算。
其他模型可以帮助我们认识到可能促进或阻碍生命的动力。一些人在气候科学的基础上修正了可居住带的界限。奥尔森最近与人合写了一篇论文，探讨了什么样的海洋动态可能对培育有利于生命的营养循环至关重要。她认为，仅仅海洋的存在并不能确定一个新的世界是否适合居住。例如，如果没有足够的旋转力或厚厚的大气层，海洋在增加宜居性方面就没有意义。
“我们最终需要的是在这些类型的模型中改进生物学的表现，”Olson说。“生物学家、气候科学家、天文学家都有他们的各自的模型。我们需要找到耦合数据的方法。”
但模型只是一部分。我们还需要更好地观察这些世界。我们想知道一颗行星是否有一个由对生命很重要的元素组成的厚厚的大气层。我们希望寻找由生物过程产生的甲烷等生物特征的存在。像NASA的哈勃和开普勒太空望远镜这样的仪器已经产生了巨大的影响，但是它们的能力已经达到了极限(开普勒去年退休了，哈勃也已经奄奄一息)。
哈勃的继任者，詹姆斯韦伯太空望远镜，将推动我们对这些系外行星的理解达到新的高度。它无与伦比的光学性能和用红外进行无与伦比的观测的能力意味着它应该能够毫不费力地描述遥远系外行星的大气层特征。欧空局的ARIEL太空望远镜将于2029年发射，它是专门用来观察系外行星大气的化学和热结构的。
门德兹还认为，当我们考虑到可居住性时，比如无线电辐射、灯光或工业生产中的化学物质，进行技术信号的检测是明智的。他说：“还有其他方法可以观察一个系统，并发现一些生命迹象。”
然而事实是，“判断一个地方是否适合居住的唯一方法不是测量这些不同的变量——而是寻找生命，”门德斯说。在生物学中，这是最后的答案。没有别的办法了。除此之外，一切都只是一个近似值——对潜在宜居性的评估。所以现在，争论还将继续。

作者：一点资讯