科學也可以如此靠近

外星生命的家園是什麼樣的?首先,未必就像地球

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2018

2018年4月02日19時 今日科學 中科院物理所

中科院物理所

一顆星球,一不定非得跟地球很相似,才有可能成為外星生命的家園。圖片來源:apiemistika.lt

(文/ Colin Stuart,譯/Shea)

「Eppur si

muove」——「但是它確實在動」。據說,伽利略在1633年被判為異端後,曾經嘀咕了這麼一句。這也許是科學史上最著名的一句嘀咕。利用自己親手製作的望遠鏡,伽利略看到了許多有悖於宇宙萬物都在圍繞地球轉動的現象,例如圍繞木星轉動的衛星以及因陽光照射角度變化而導致的金星盈虧——如果金星圍繞地球轉,就不可能出現這一現象。所有這一切使得伽利略引領了哥白尼革命,後者提出這樣一個「新觀點」:包括地球在內的所有行星都在圍繞太陽公轉。

差不多4個世紀之後,我們又處在了另一場對宇宙認識革命的風口浪尖之上。我們現在已經發現了近2000顆圍繞其他恆星公轉的行星。來自美國宇航局開普勒空間望遠鏡等觀測設備的海量信息,再加上對行星以及恆星系統運轉機制的進一步認識,都在迫使我們重新思考另一個地心觀點——

一顆能承載生命的行星看上去會是什麼樣子。漸漸地,我們認識到,關於另一顆「地球」的假設似乎都是錯誤的。隨著搜索的繼續,我們可能需要謹記,有生命的星球也許會和我們的地球完全不同。

在評估一顆行星能否承載生命的時候,很多事情我們都會想當然。首當其衝的便是,如果其他星球上確有類似地球上的生命存在,那它們將會是碳基的生命,因為碳化學具有無與倫比的複雜性,此外還需要液態水來作為重要的溶劑。這種假設直接導致了於上世紀50年代首次被引入的宜居帶概念。它被定義為某顆恆星周圍允許有液態水存在的一個狹窄區域。太靠近恆星,行星上的水就會蒸發掉;而離得太遠,水則會凍結。只有在中間的「黃金地段」——既不太熱,也不太冷,正正好好的地方——生命才能蓬勃興旺。

我們的太陽擁有著一顆承載著生命的行星,也就是地球。在我們的銀河系中,有3/4的恆星是比太陽更暗弱的紅矮星,它們所能輸出的熱量相比之下要少得多。紅矮星的宜居帶會非常靠近它,近到位於其中的任何行星都會被「潮汐鎖定」:恆星的引力使得行星始終只有一側朝向前者。這一面將要經受日光無盡炙烤和灼熱的溫度,而另一側則會在永久的黑暗中封凍——這對與生命而言絕非理想的環境。在我們的太陽系中,已知最靠近太陽的是水星。雖然沒被潮汐鎖定,它仍經歷著晝夜半球之間600℃的溫差。

正因為距離太陽足夠遠,地球才能穩定地自轉,使得太陽的熱量可以均勻地播撒到地球表面的各個地方。隨著地球的自轉,它還在宜居帶中走出了一條近乎完美的圓形軌跡——不過,根據研究顯示,它比我們過去想像的更靠近宜居帶的高溫內邊界。我們非常巨大的衛星——月球則是另一個福音:它的引力確保了地球自轉的傾角只會小幅變化。把所有這些因素加起來,就為生命的蓬勃發展提供了一個誘人而穩定的環境。

於是,開普勒空間望遠鏡於2009年3月發射時,它便有了一個目標:尋找另一顆地球。這架望遠鏡以天文學家開普勒命名,後者在1619年率先發現了行星軌道距離和公轉周期之間的數學關係。該任務計劃工作3年也絕非巧合。地球繞太陽公轉一周要花1年的時間,因此在一顆類太陽恆星周圍宜居帶中相似位置上的另一顆相似的行星,也要花同樣的時間來做軌道運動。3年的時間足以探測到這樣一顆行星3次從其恆星前方經過,從而確認它的存在。

不過「開普勒」還沒有看到這樣的天體。早在2011年,它確實就已經發現了宜居帶中的行星開普勒-22b,到2013年則又發現了開普勒-61b和開普勒-62e。但它們完全不像地球——三者都是大得多的「超級地球」。大多數模型認為,這些行星較強的引力會使它們的表面變得平坦,使水更容易吞沒陸地。陸地比水體更易升溫和冷卻,因此地球上的各大洲在調節氣候中起著舉足輕重的作用。英國萊斯特大學的天體生物學家劉易斯·達特內爾(Lewis

Dartnell)說:「海洋行星可能更易導致氣候不穩定,所以不太宜居。」

開普勒-22b所處系統與內太陽系的對比圖。宜居帶指行星距離恆星遠近合適的區域,在該區域中,生命存在所必需的液體水能夠在星球表面存在。圖片來源:NASA

古怪的行星

美國加利福尼亞大學伯克利分校的傑弗里·馬西(Geoffrey

Marcy)和他的同事,還分析了由行星的引力造成的恆星所發出光線的變化。雖然在「開普勒」發現的外星行星中有3/4體積大於地球,但它們的質量完全不足以成為富含水的岩質行星。相反,它們必定是較輕的行星,更像是迷你海王星,它們的岩質核心被含有大量氫和氦的濃厚大氣層所包裹。馬西說:「這引發了一種擔憂,即在已知外星行星中占據主導的類型可能並不適宜生命。」

此外,「開普勒」還發現了各種各樣奇怪而不尋常的行星。例如,開普勒-47系統擁有2顆恆星和至少3顆行星。另有一些行星有著大橢圓形的軌道,這與太陽系行星典型的近圓軌道有著顯著的差異。它們更像是彗星,會從外部冰冷的區域進入內部較溫暖的區域。也許最意想不到的發現是開普勒-11——我們太陽系的微縮版,它擁有的6顆行星中有5顆到恆星的距離比水星到太陽還要近。美國麻省理工學院的行星科學家莎拉·西格(Sara

Seager)說:「只要在物理學規律之內,一切都皆有可能。」

乍看起來,這些都不是我們所認為的生命棲息地應該具備的特質。不過,也正是這些觀測事實促使我們開始重新思考。馬西說:「也許我們犯了和哥白尼時代前相似的錯誤,即認為我們是特殊的,所有宜居的行星都必須具有和地球相同的屬性。」

有意思的是,對這一觀念的改變部分源自對地球上生命更仔細的研究。在過去的幾年中,已經發現了存在於地球深處的生物——最令人吃驚的是生活在南非最深的金礦3.6千米底部的線蟲。由於科學家只研究了地下可能棲息地中的一小部分,於是達特內爾甚至在幾年前就得出了一個與我們的觀念迥異的結論。他說:「地球深處生物圈中的生命數量,要遠遠超過地球表面我們所熟悉的生態系統。」

這對其他星球上的生命也會帶來影響。英國阿伯丁大學的肖恩·麥克馬洪(Sean

McMahon)說:「一旦地下生物圈也被考慮在內,會有更多的行星被認為是宜居的。」2013年9月,麥克馬洪和兩位同事發表了一篇論文,研究在行星核心的加熱下地下水中存在生命的可能性。水體所處的深度越大,它就可以更好地免受外界溫度的影響,從而讓有生命的行星到恆星的距離可以進一步加大。5千米之下的生命可以在軌道半徑是傳統宜居帶3倍遠的行星上存活。如果深至10千米,宜居帶則可以擴展到土星軌道之外——是目前類太陽恆星周圍可接受距離的14倍。

這也意味著,我們不能排除在外太陽系存在地下生命的可能性。在木衛二繞木星轉動的過程中,木星作用於其上的潮汐摩擦可以融化表面殼層之下的水冰,也許由此製造了一個可供生命起源的地下海洋。

在2014年1月召開的美國天文學會會議上,美國韋伯州立大學的約翰·阿姆斯特朗(John

Armstrong)提出了另一種可以讓宜居帶位置發生變化的可能情況。地球有月球來穩定自轉軸也許是個福音,但不斷變化的自轉軸傾角未必就一定是壞事:它正好可以改變遊戲的規則。他說:「自轉軸傾角的變化可以抑制極地冰蓋的積聚,使得被反射回太空的熱量減少。」根據他的模型,與自轉軸穩定的行星相比,一顆搖擺的行星能夠維持液態水存在的恆星間距或許可以達到前者的兩倍。

通過觀測極冠反射星光所造成的亮度變化,未來的望遠鏡也許可以觀測到這一自轉軸傾角的變化。然而,這樣一顆行星未必會擁有類似地球上的生命形式。「目前還不清楚,在這樣一顆氣候迅猛變化的行星上,由多細胞動物和植物構成的生態系統會有多複雜,」達特內爾說,「但對於地表之下的細菌而言,可能根本不受影響。」

如果宜居帶可以向遠離恆星的地方拓展,其影響將會是深遠的,因為這至少可以讓紅矮星這樣的暗弱恆星重歸賽場:承載生命的行星可以遠離恆星,進而可以避免被潮汐鎖定。不過,根據過去十年來發展出的更先進的氣候模型,即使是潮汐鎖定可能也不是太大的問題。研究表明,如果一顆被潮汐鎖定的行星具有和地球相同的富氮大氣,那麼熱量可以有效地被輸送到永久的黑夜面,形成一個更加平衡且宜人的氣候環境。

研究顯示,一些先前認為不適宜生命生存的星球,也可能有可能存在生命。圖片來源:《新科學家》

更靠近恆星

2013年,美國芝加哥大學的多里安·阿博特(Dorian Abbot)及其同事建立的潮汐鎖定行星的三維大氣模型進一步強調了紅矮星潛在的宜居性。它提出一種誘人的可能性:在恆星固定的光照直射點之下,雲會更加容易地形成。

雲層會把更多的輻射反射回太空,這意味著一顆陰雲密布的行星可以在維持適宜溫度的情況下更加靠近恆星——向內拓展了宜居帶的邊界。阿博特說:「這使得紅矮星周圍可能宜居的行星數量翻了一倍。」考慮到紅矮星占據了我們銀河系中恆星的主導,這極大地增加了潛在宜居行星的數量以及我們找到它們的機會。

事實上,一些恆星周圍的宜居帶可能是一場可以移動的盛宴。美國加利福尼亞大學聖克魯茲分校的天文學家格雷格·勞克林(Greg

Laughlin)研究表明,液態水以及生命甚至可以出現在一顆以類似彗星那樣的大橢圓軌道運動的行星上。在它最接近恆星的過程中,幾個小時的時間裡,它的溫度可以上升20倍——但勞克林說,這顆行星也許完全可以承受這一點。雖然它赤道上的溫度如同烤箱,但在高緯度地區,熱量會迅速消散,那裡的水仍能保持液態而不沸騰。同時,在此期間恆星所施加的極端潮汐力為其核心注入了引力能,為它在遠離恆星時提供了熱源。

這樣的一顆行星是否能承載多細胞生物仍有爭議:很難搞清楚光合作用生命體是否能應付這種光照大幅變化的環境。達特內爾說:「它們將與地球上的生命大為不同,我們需要保持開放的思維。」至少這樣的行星會更容易被發現:它們會更靠近恆星,從恆星前方經過時會引發更為明顯的恆星亮度下降。勞克林說:「發現這些行星的機率由此可以提高10倍。」

一條一條地,我們先前建立起來的「規則」——承載生命的行星必定與我們的地球類似——開始分崩離析。阿姆斯特朗甚至更進一步,認為有別於地球的行星也許更有利於生命。最近,他和加拿大麥克馬斯特大學的勒內·海勒(René

Heller)一起提出了「超宜居」行星的概念,認為由一顆質量比太陽小的恆星和一顆質量比地球大的行星組成的系統有著更顯著的優勢——例如板塊構造活動速度較慢,來自恆星的高能輻射也較少。

對於地球的尊嚴來說,這可能是一個打擊。但正如幾個世紀前,我們不再認為地球是宇宙的中心,現在也許是時候不再把地球當成是宜居行星的典範了。西格說,在尋找宇宙別處生命的過程中,我們需要保持開放的頭腦,「如果僅局限於另一個地球,那我們只會固步自封。」

編譯自:《新科學家》,Ideal Homes

題圖來源:123rf.com.cn正版圖庫

編輯:小麵包

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