我们需要扩大对外星恒星周围“宜居带”的视野

在太空中寻找生命时,我们应该拓宽视野

Blue and white exoplanet

艺术家绘制的TOI-700 d,这是NASA的凌日系外行星巡天卫星发现的第一颗地球大小的宜居带行星。这个世界围绕着位于剑鱼座,距离我们100光年的恒星运行。图片来源:NASA戈达德太空飞行中心

到目前为止,天文学家已经发现了近 5,500 颗系外行星——围绕外星恒星运行的外星世界——还有 7,000 多颗候选行星等待确认

真是很多行星。

我们搜索这些遥远的世界是因为我们好奇,想知道其他行星是什么样的。通过了解其他世界,我们可以更好地了解我们自己的世界。但请不要误会,科学家也是人,我们也想知道科学时代最大的问题之一的答案:我们是孤独的吗?


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我们可能很快就会得到答案。我们的技术正处于探测系外行星生物特征的边缘,生物特征是生命的迹象,例如行星大气层中可能表明存在生物学的分子。但在那之前,研究我们所能了解的关于这些行星的一切,并根据它们支持生命的可能性对它们进行分类是有用的。

天文学家为此提出了一个方便的概念,称为宜居带。这是恒星周围的一个区域,该区域的温度允许行星在其表面潜在地拥有海洋、海或湖泊形式的液态水。太靠近恒星,恒星的热量会把水煮沸蒸发掉。太远,水就会结冰。但在这些极端情况之间,可能恰到好处。这种中间地带的特性是为什么一些天文学家将其称为金发姑娘区。(虽然老实说,我从来不喜欢这个绰号;我更喜欢叫它小熊区。以闯入熊家并篡夺他们辛辛苦苦得来的食物和财产的人的名字命名,带着殖民主义的味道。)

作为一个想法,它非常有用。地球上所有生命都需要液态水,而且因为我们目前还不知道生命可能以任何其他方式出现,所以这是一个很好的起点。

然而,测量宜居带并非易事。计算行星从其恒星接收到的辐射很容易;这取决于人们充分理解的物理学原理。困难的部分是行星本身。一颗黑暗的行星吸收更多的光并升温,而一颗颜色较浅的行星会反射更多的光并且更冷。

行星的大气层起着更大的作用:如果大气层中充满了温室气体,那么行星就需要离恒星更远才能变得温和。看看金星就知道了——我们在许多方面是姊妹世界,在大小和质量上与地球相似——看看这有多重要。由于金星表面覆盖着厚厚的二氧化碳大气层,铅会在我们邪恶双胞胎的表面熔化。它根本不是一颗类地行星。

因此,仅凭自身而言,发现一颗位于恒星名义宜居带内的行星并不能保证它就是,嗯,宜居的,即使它是一个像我们地球一样小的(并且可能是)岩石世界。还需要了解更多,包括它是否甚至有大气层,大气层是由什么组成的等等。这个问题非常复杂,以至于天文学家们甚至对我们太阳的宜居带从哪里开始争论不休,而我们实际上就在宜居带内。更重要的是,宜居带可能不是太阳系中液态水可以存在的唯一地方。

在 20 世纪 70 年代,旅行者 2 号宇宙飞船飞越木星的卫星木卫二,并看到了暗示其冰冻表面下存在液态海洋的表面特征。从那时起,我们收集了非常令人信服的证据,证明木卫二的地下液态水通过木卫二与木星巨大引力的相互作用保持温暖

木卫二也不是唯一一颗海洋卫星。2005 年,来自卡西尼号宇宙飞船的图像显示,土星冰冷的卫星土卫二表面喷发出巨大的水柱。可能由土星的潮汐活动产生,类似于温暖木卫二的机制,这些间歇泉指向存在巨大的地下液态水袋,如果不是另一个海洋的话。

图片来源:Jen Christiansen

现在我们认为,太阳系外行星的卫星内部,甚至在一些绕太阳运行的较大天体(超过海王星)中,可能存在许多这样的冰下海洋

事实上,我们知道有很多流浪行星在星际空间中游荡,它们可能是在最初的行星系统中被抛射出来的,因为那里的世界最初形成并相互发生引力相互作用。我们发现的往往是比木星还要巨大的气体巨星。如果它们有冰冷的卫星,那么这些卫星也可能被加热到足以拥有地下海洋。所以你甚至可能不需要恒星就能拥有宜居世界!

为了给宜居带泼更多的冷水,还有其他液体需要思考。土星最大的卫星土卫六太冷了,表面没有液态水,但卡西尼号在 2006 年的观测显示,那里有广阔的液态甲烷湖泊。甲烷是一种碳基分子,因此许多生命成分必然存在于那里。谁知道在距离太阳十亿公里的土卫六湖泊中是否有外星小鱼在游泳呢?

毋庸置疑,这些都远在太阳所谓的宜居带之外,但生命可能在这些表面上看起来冰冷的卫星内部大量存在。显然,宜居带的概念对于确定生命可能存在的地方来说是远远不够完善的。那么现在是时候把它扔进银河系的垃圾桶了吗?

让我们不要把地外婴儿和地下洗澡水一起倒掉!几年前,一个行星天文学家团队写道,这个术语需要修改,并建议用“温带”来代替。我认为这个想法很好,如果我们正在寻找类地行星,它仍然非常有用,需要明确的是,我们正在寻找。它可能不包括气体巨行星的冰冻卫星或我们了解的生命可能进化的世界,但只要我们意识到这些局限性,它仍然很方便。重命名这个概念可以解决一些问题。

宜居带,即使换个名字,也从来不是一个铁律。它一直是一个指导方针,一个告知天文学家的想法,即当一颗行星在某个特定位置被发现时,他们可能会发现一些有趣的东西。它与其说是一种衡量潜在宜居世界的方法,不如说是一种为未来的观测标记它们的方式。

人们很容易想要划清界限——一颗离它的恒星这么远的行星是不适宜居住的,但一颗那么远的行星就很棒——但自然界几乎从不那样运作。它通常在一个光谱上运作,具有模糊的边界,甚至更大的重叠。在阅读科学发现时,始终牢记这一点是好事。

一颗行星位于其恒星的宜居带内可能不足以,甚至不是使其宜居的必要条件,但它仍然是寻找生命的绝佳起点。我们只需要确保我们不要止步于此。

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