为什么还没有发现另一个地球?

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发布日期:2017年05月12日 所属分类:天文

文|Nola Taylor Redd
编译|Shea

对外星地球的搜索正在不断升温。然而,在它们之中却没有一个像我们的地球。

寻找地外生命的历史和人类对行星研究的历史一样长。金星和火星是早期的两大希望,但一个已被证明太热,另一个则太干。如今,科学家们已经跃出了太阳系,希望能发现地球2.0。

为了缩小搜索的范围,科学家们瞄准了恒星周围的一个特定区域,该区域中的岩质行星在其表面可以存在有液态水。这个区域被称为宜居带。

在近50年的时间里,“宜居带”这个词一直被禁锢在学术文献中。由于此前还没有在太阳系之外发现行星,因此普通老百姓甚至不曾听说过它。然而,自2010年美国宇航局的开普勒探测器井喷式地发现了大量的太阳系外行星候选体之后,“宜居带”如雨后春笋般地出现在了科学期刊上,同时也进入了公众的视线。

这个转变并非是渐进的。尽管科学界未曾想传递出这样的信号,但宜居带不禁让人联想到它是一个生命可以起源和演化的区域。诸如“宜居行星”、“地球孪生兄弟”和“地球2.0”这样的词汇让这个局面变得更加混乱,导致科学含义与公众想象之间的差别变得更加模糊不清。

为什么还没有发现另一个地球?

太阳系外类地球行星与地球的比较示意图。来源:NASA

什么是宜居带?

探测太阳系外行星是一个相当年轻的领域,但宜居带这个词则至少可以追溯到20世纪50年代。在那时,它表征的是在恒星周围存在可承载生命行星的区域。但在上世纪90年代天文学在太阳系之外发现了第一颗行星之后不久,一篇新发表的论文给出了当今“宜居带”的定义。发表于1993年,这篇重要论文的第一作者、美国宾夕法尼亚州立大学教授吉姆·卡斯廷(Jim Kasting)提出,“宜居带”较为保守的定义是在一颗恒星周围、岩质行星在其表面可维持液态水的区域。

由于宜居带取决于它所围绕的恒星,因此其位置会随恒星的年龄和温度而变。例如,低温且暗弱的M型矮星其宜居带会比类太阳恒星的更靠近它本身。有时也被称为“黄金地带”,因为宜居带涉及到水,既不太热,也不太冷。然而,仅仅因为液态水可以流过某颗行星上的平原,并不意味着它真的有水——这是一个重要的区别。宜居带中的许多行星很可能并不宜居,或至少在其表面的大部分区域中无法维持住液态水。

在我们的太阳系中就有一颗行星符合这个标准——火星。火星位于该定义下的宜居带内。太阳系宜居带的外边界可以一直延伸到近1.7个天文单位处。1个天文单位相当于地球到太阳的平均距离。火星到太阳的距离为1.5个天文单位,恰好位于该外边界附近,但是在火星表面上没有液态水。

自20世纪90年代以来,科学家们一直在试图建立更加可靠的边界。但是,仍然没有找到快速有效的方法,因为行星的特性会影响水是否能存在于其表面。例如,岩质行星的定义就在不断变化。在1993年,岩质行星的含义是一颗半径不超过地球的2倍且质量不超过地球10倍的行星。今天,对类地球行星的定义趋向于一颗半径不超过地球1.5倍的行星。更大的天体现在被称为亚海王星,是有着岩质内核的气态行星。

行星大气的存在性以及它的成分也有助于确定在一颗行星的表面上是否能维系住液态水。如果某颗行星的大气有着有别于地球大气中二氧化碳和水的含量,那它可以在距离其宿主恒星更远的地方维持有液态水。其结果是,不同的人对宜居带有着不同的定义。

搜索生命迹象

使用目前的仪器设备,天文学家只能探测到在某颗恒星的宜居带内是否存在有行星以及这颗行星的大小。根据两个因素并不能推断出该行星是否承载有生命。不过,在一颗恒星的宜居带中发现一颗岩质行星会促使天文学家们对其进行后续更为深入的研究。

宜居带的这种定义可以让天文学家尝试寻找生命体在行星大气中所留下的信号。这意味着,行星表面的生物可以通过每一次呼吸来改变行星大气,并使其达到可以探测的水平。科学家已经开始研究太阳系外行星的大气,但探测技术仍处于早期阶段。发射于第一颗太阳系外行星被发现前不久,美国宇航局的哈勃空间望远镜是第一个研究它们大气的仪器。当太阳系外行星从其宿主恒星前方经过时,“哈勃”就可以对其大气进行研究。来自恒星的光芒会照亮行星大气,使得天文学家能够探测其成分。

是什么决定了一颗行星是否宜居?那它至少需要具备适合生命的条件。现在,天文学家们正在寻找地球大小且以二氧化碳和水作为其主要温室气体的行星。此外,磁场也被认为是重要的因素,因为它有助于维持行星的大气。另一个要素是存在板块构造。在地球上,地质活动有助于调节大气中二氧化碳的含量。二氧化碳过多会导致失控的温室效应;过少则会使得行星封冻,水都冻结成冰。要想真正了解一颗行星的宜居性,就必须要知晓其内部的运转。板块构造是让你开门通往行星内部之门的关键。

自我审视

上面这几个条件看上去似乎很熟悉,事实也确实如此。我们的目标是要找到另一颗与地球相似的行星,而目前地球是唯一已知适合生命起源和演化的天体,因此宜居的条件都以它作为参照。但在寻找宜居星球的过程中,有人认为太阳系外行星也许并非是最好的选择。为了认识太阳系外行星,需要对我们所处的太阳系有更多的了解。

在土星的卫星土卫六上有液态甲烷湖,它可以充当溶剂,扮演地球上水的角色。太阳系中另一个适合生命起源和演化的潜在地点是木星的卫星木卫二,它是一颗冰质卫星,可能拥有一个地下海洋。美国宇航局计划在21世纪20年代中期发射一个探测器对其进行研究。在这些天体上,如果存在完全独立于地球的生命起源和演化,它将可以帮助我们了解太阳系外行星上的生命,还有可能会改变目前以地球为中心的宜居带定义。位于我们所认为的宜居带之外的行星有可能或多或少也是宜居的。

当然,在数光年之外发现另一颗木卫二并不会在搜寻地外生命中扮演重要的角色,因为目前的仪器还无法探测到有关的迹象。眼下天文学家们只能探测到行星大气。如果在某颗行星上有一个冰层封锁住了下面的一切,生命就无法突破它,于是探测不到任何的生命迹象。

地球失散多年的胞弟

虽然在宜居带之外可能存在着宜居的天体,但是被归类为类地球行星的天体却必定位于宜居带内。最近,美国宇航局宣布,位于一颗类太阳恒星宜居带内的岩质行星开普勒-452b或许是与地球最相近的胞弟。但是,当天文学家把一颗行星称为地球的胞弟时,他们其实只参考了几个关键特征。

当科学家们说“宜居带内的一颗类地球行星”,它指的是位于可维系液态水的宜居带中的一颗地球大小的行星。

是的,仅大小和轨道而已。但是,类似“地球胞弟”或者“类地球行星”这样的词汇却会让人联想到与地球一模一样的行星,也有着海洋、陆地和云彩。要想确定某颗行星是地球2.0,光知道半径是肯定不够的。除非至少能够确定这颗行星围绕的是一颗类太阳恒星、在这颗行星上有海洋和大气并且还发现了大量的生命迹象,否则严谨的天文学家不会轻易把一颗行星称为“地球胞弟”或者是“地球2.0”。

发现一颗行星的陆地为植被覆盖将会是另一个佐证生命存在的强有力证据。在未来20~30年之内,科学家们就有望在太阳系外行星上发现叶绿素,它可以证明有植被的存在。不过,这也有可能会造成混乱。如果叶绿素的信号与存在有生命的大气成分信号不相符,那它可能会引起更大的问题。探测到太阳系外行星上的叶绿素需要突破人类技术的众多极限。

在那之后,我们必须停下脚步。天文学家们可以继续探测遥远的行星是否宜居,但也许要花几百甚至上千年的时间才能收集收到在太阳系外的行星上存在有生命的直接证据。

美国宇航局的开普勒空间望远镜已经发现了总数4000多颗的新行星和行星候选者,为科学研究提供充足的样本。尽管“开普勒”的主要目标之一是探测地球大小行星的丰度,但它无意把它们分类定性成类地球行星或地球胞弟,它也从来就没有打算成为一个探测行星具体特征的任务。

但其他的仪器将会帮助我们发现类地球行星。美国宇航局的太阳系外凌星行星巡天卫星和欧洲空间局的太阳系外行星刻画卫星都将帮助天文学家在明亮恒星周围寻找新的行星。詹姆斯·韦布空间望远镜将会深入探测由这些巡天所发现的最佳候选体,对它们的大气进行分析,揭示出更多有关这些行星的信息。这还会对行星进行直接成像,由此可以进一步地深入了解它们。欧洲空间局的行星凌星和恒星振荡任务则将主要研究位于类太阳恒星宜居带内的类地行星。

所有这些任务都将帮助天文学家更多地了解太阳系外行星。有了它们的帮助,很有可能会在21世纪20年代末或21世纪30年代首次真正发现另一个地球。

捷足先登?

如果除了大小和位置之外科学家无法测定行星的其他信息,那么为什么我们经常会听到诸如“地球胞弟”或者“类地球行星”这样的说法?其中一个原因是因为这个名字本身,它很容易引起误解。

当你在谈论宜居带时,有人会很自然地认为你是在谈论一个适宜一切的区域。但事实却并非如此,因为有许多因素决定了行星是否宜居,而这些因素中的一些可能还具有误导性。“类地球行星”不是一个合适的说法,应该是“宜居带中可能的一颗岩质行星”。

1938年,美国天文学家哈罗·沙普利(Harlow Shapley)最初把该区域称为“液态水带”,这也许是个更恰当的名字。即便如此,它也有可能被误解成那里是肯定有液态水存在的区域,而不是一种可能性。很多天文学家认为,靠修改名称无法解决这个问题。沟通的问题只有通过教育才能解决,许多词汇在一开始就容易让人混淆。

但也有科学家认为问题还不止于此。在过去的20年中,太阳系外行星的急剧涌现导致了一些人出现了审美疲劳。除非语出惊人,否则新发现的太阳系外行星很难引起人们的兴趣。其结果是,科学家和媒体有时会使用超乎已知的特性来夸张地报导。

相比于整个天文学,太阳系外行星领域相对年轻且仍在继续增长。公众其实想知道的是最终的问题:在地球之外的天体之上是否承载有生命,在太阳系之外的行星上是否滋养着文明?由于缺少耐心,人们往往只把目光投向了那些遥远的答案,而错过了我们在今天所了解到的东西。

对此,有必要说明,在回答这个最终问题的过程中,沿途还要回答许多其他的问题。每一颗新发现的太阳系外行星都为了解行星——包括地球——的起源和演化提供了的机会。 通过主要专注于行星的宜居性,有人正在试图捷足先登未来至少还需要10年的真正发现。终有一天,我们将能够测量一颗太阳系外类地行星的大气,清晰无疑地分辨出它是否宜居。届时肯定会有人说:“10年前我们不是已经发现了它了吗?”(火流星)

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