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除地球外最适宜人类居住的星球?

2015年01月14日 知道 暂无评论 阅读 1 次

回答者:《环球科学》2015-01-10

我们居住在最好的行星上吗?德国数学家戈特弗里德·莱布尼茨(Gottfried Leibniz)的确这样认为,他在1710年写道,即使有一些瑕疵,我们的地球依然是人们所能想象的最理想的行星。莱布尼茨的想法后来被许多人嘲笑为没有科学依据的美好幻想,这其中就包括法国作家伏尔泰在其代表作《憨第德》(Candide)中,对这种思想的嘲讽。不过莱布尼茨也许能在一些科学家中找到认同者。几十年来,这些科学家一直以地球为黄金模板,寻找着太阳系外的宜居星球。

寻找太阳系外的宜居星球

因为地球上的人们只知道一个有生命的世界,也就是我们的地球,因此把地球作为寻找系外生命的模版,似乎也无可厚非。比如科学家试图在最接近地球环境的火星、木星的含水卫星木卫二(Europa)上寻找生命。不过现在,天文学家发现了一些围绕其他恒星旋转的、可能具备宜居性的系外行星,这些发现正逐渐改变着以地球为模板寻找宜居星球的思想。

过去的20年里,天文学家发现了1 800多颗系外行星。统计研究显示,我们的银河系中至少有一千亿颗系外行星。迄今为止发现的系外行星中,与地球非常相似的非常少,这些行星展示出了一系列的行星多样性:它们的公转轨道、半径尺寸、组成成分都有着巨大的差异,它们围绕的恒星也千差万别,有的比太阳小很多也暗很多。这些系外行星的多样性特征提醒我,也提醒了其研究人员,地球可能并不在宜居星球排行榜靠前的位置。事实上,一些和地球非常不同的系外行星,可能有更高的几率形成并维持一个稳定的生物圈。这些“超宜居星球”是搜索地外和系外生命的最佳目标。

不完美的地球

越来越深入地研究地球的宜居性,科学家渐渐发现,我们的世界并非那么理想。今天的地球上,不同地区的宜居性也有着天壤之别。在广袤的地球表面区域,很大一部分都是不毛之地,如干旱的沙漠、贫瘠的开放海域和严寒的两极。地球的宜居性也在随时间变化,例如在石炭纪(Carboniferous period)的大部分时期,也就是大约3.5至3亿年前,地球的大气比现在更温暖、更湿润,而且含氧量也要多于今天。海洋中的甲壳纲动物、鱼类和造礁珊瑚十分兴盛,陆地上覆盖着大片大片的森林,昆虫和其他陆生生物的体型十分庞大。地球在石炭纪时供养的生物量,比今天要多得多,这说明比起其远古时期,现在地球的宜居性,已经差了很多。

不仅如此,我们还知道在未来,地球将变得更加不适合生命。大约50亿年后,太阳的氢燃料将消耗殆尽,并在核心开始能量更高的氦聚变过程。那时太阳会膨胀成一颗“红巨星”,将地球烤焦。在发生这一悲剧很早之前,地球上的生命就已经走到了尽头。随着太阳内的氢逐渐被消耗,太阳核心的温度会逐渐升高。这使得太阳总光度(luminosity,单位时间内辐射出的总能量)逐渐增加,每10亿年大概会增加10%。这种改变意味着,太阳系的宜居带并非恒定不动,而是会发生变化。随着时间的推移,宜居带距离不断变亮的恒星越来越远,总有一天,地球将不再处于宜居带内。更糟糕的是,最新的计算显示,目前地球并非位于宜居带的中心位置,而是临近内边缘,接近过热区,地球位置岌岌可危(见“当太阳变老时”)。

因此,在5亿年之内,太阳的光度将增加一定程度,使地球的气候变得极度炎热,从而威胁到复杂多细胞生物的生存。大约17.5亿年之后,光度稳定增加的太阳将令地球继续升温,海洋开始蒸发,那些在陆地上“苟延残喘”的简单生物也将灭绝。事实上,现在的地球已经度过了它的宜居黄金时代,生物圈也即将面临“曲终人散”的结局。总体而言,现在的地球作为宜居星球,只能是刚刚够格。

寻找超宜居星球

2012年,在研究气态巨行星的大质量卫星的宜居性时,我第一次开始思考,一个更适宜生命生存的世界会是什么样子?在太阳系中,最大的卫星是木星的木卫三(Ganymede),它的质量只有地球的2.5%,这么的小质量,无法像地球那样保持住大气层。不过我意识到,在其他行星系统里,卫星具有地球那么大的质量是可能的,这些卫星位于巨型星周围的宜居带内,因此可以拥有与地球类似的大气层。

这些大质量的“系外卫星”可能是超宜居星球,因为它们可以给星球上可能存在的生物圈,提供更多样化的能量来源。地球上的生物基本依靠太阳光,与地球生物不同的是,超宜居系外卫星的生物圈还可以从它旁边的巨行星辐射或反射光中获得能量,甚至从巨行星的引力场中获取能量。当卫星围绕巨行星旋转时,潮汐力会把卫星的壳层反复弯曲,产生的摩擦力将从内部加热卫星。科学家认为木卫二和土卫六(Enceladus)上存在次表层海洋(subsurface ocean),这种潮汐加热现象或许就是次表层海洋产生的原因。对大质量的系外卫星来说,能量的多样化可能是把双刃剑,因为多种能量重叠在一起,微小的不平衡,就能轻易让那个世界变得不再宜居。

另一方面,在已经确认和疑似系外行星的列表里,或许就有超宜居行星。在上世纪90年代中期,研究人员发现了第一批系外行星,它们全部是质量接近木星的气态巨行星,而且距离它们的恒星非常近,不可能有生命存在。不过随着时间的变化,行星搜索技术有了很大的提高,天文学家逐渐找到一些更小的、运行轨道更远、更温和的行星。近些年发现的大部分行星都是所谓的超级地球(super-Earth),它们都比地球重,但不超过地球质量的10倍,它们的轨道半径介于地球和海王星之间。事实证明,在其他恒星系中,这类行星非常普遍,但是在太阳系中却没有这样的行星,这使得太阳系看起来有点另类。

很多更大、更重的超级地球,它们的半径尺寸可能暗示着,这些超级地球上存在厚重的大气层,所以这些超级地球更像“小号的海王星”而非“大号的地球”。不过对于那些更小的、半径是地球两倍左右的行星,其构成也许和地球类似,包含铁元素以及岩石,如果它们的轨道恰好位于宜居带,那行星表面也许还有大量的液态水。我们现在知道的很多可能的岩态超级地球,都是围绕着所谓的M型和K型矮星旋转,这些恒星比太阳更小更暗,也更加长寿。我和合作者——韦伯州立大学的物理学家约翰·阿姆斯特朗(John Armstrong)最近开展了模拟工作,结果显示,从某种程度上说,正是因为轨道中心的恒星较小,超级地球更适宜生命存在,被认为是超宜居星球最有力的候选者。

(作者:勒内·埃莱尔/René Heller,加拿大麦克马斯特大学博士后研究员;翻译:易疏序,中科院高能所粒子天体物理专业博士研究生)

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