為何在發現大量位於宜居帶的系外行星後,科學家仍然持悲觀態度?

截至2019年10月1日,人類已經確認了4118顆系外行星。在這些系外行星裡,有大量的行星位於宜居帶,被人們認為是孕育系外生命的最佳候選者。

可是,即便各種“超級地球“被發現的新聞不斷傳出,儘管各種系外行星有可能存在液態水、氧氣的報告被公佈,科學家們對於宜居星球這個概念卻始終非常謹慎。宜居帶行星和宜居行星,究竟有哪些不同呢?

宜居帶行星Vs宜居行星

首先,我們要知道,所謂的位於宜居帶的行星,還分不同的種類。

為何在發現大量位於宜居帶的系外行星後,科學家仍然持悲觀態度?

如上圖所示,4118顆已確認的系外行星中,有3496顆不在宜居帶內。其餘622顆又分為三類,其中,完全位於宜居帶內的系外行星只有129顆,301顆只有一部分軌道在宜居帶內,其餘的192顆是大部分軌道在宜居帶內。

這裡分析的說所有行星,我們知道,根據目前的認知,生物是無法生存在木星這種氣體行星上的。而那192顆行星中,又只有24顆是岩石行星。

那麼,我們身處地球之上,如何判斷幾十上百光年以外的系外行星是岩石星球還是氣體行星呢?這就和它們的尺寸有關了。

尺寸與表面的關係

根據太陽系的情況我們就可以看出來,像木星這麼大或者更大的系外行星,顯然都是氣體行星。當然了,這也不是完全靠經驗,實際觀測時通過對系外巨行星半徑和質量的測量也證實了這個猜測。

為何在發現大量位於宜居帶的系外行星後,科學家仍然持悲觀態度?

這種天體的狀態是比較容易判斷的,比較讓科學家為難的,是略小的行星,也就是比地球大一點的行星。因為,在太陽系內,比地球再大的就是海王星了,其半徑約為地球的4倍。因此,半徑在1-4倍地球半徑之間的行星到底是類地行星還是類海王星行星,目前還不得而知。

根據現在的理論,科學家認為,1.5倍地球半徑是一個臨界值。比這個尺寸更大的,就是類海王星行星;如果比它小,那就是類地行星。

同時,即使確定了尺寸,也不代表其表面就一定有和地球完全一樣的表面。在太陽系,就有一個活生生的例子——金星。不論是半徑還是質量,金星和地球都非常相似。但是,它的表面卻非常惡劣,即使把金屬鉛放在那裡,都會“刺啦”一下融化掉。

跳出宜居帶

看到這裡,你可能也像天文學家一樣,有點悲觀了:明明那麼多宜居帶行星,卻被砍掉一大半。難道系外生命的孕育,真的就那麼難嗎?

為何在發現大量位於宜居帶的系外行星後,科學家仍然持悲觀態度?

其實也不是。雖然很多宜居帶行星未必是宜居行星,但是宜居行星也未必就在宜居帶啊!

還是以太陽系為例,科學家已經在地球之外發現了許多有希望適合地球生物存在的星球,雖然月球和火星是位於宜居帶,但還有很多星球並不在通常所說的宜居帶內,比如木衛二和土衛六。

這兩顆天體,甚至宜居性都超過了火星和月球。儘管它們都位於數億公里以外,表面溫度可能不足-100攝氏度。但是它們都被認為有液態環境,比如木衛二的地下可能有一個厚度達到100公里的液態海洋,土衛六表面也很有可能存在大量液態烷烴海洋或湖泊。

既然是液態海洋,證明溫度還算適合。其中,木衛二的溫度來自於木星的潮汐力,所以地下水能夠達到0攝氏度以上;而土衛六表面的液態烷烴海洋雖然溫度極低,但是有可能孕育和我們完全不一樣的生命形式。

到底什麼名字更合適?

出於對現有名稱的失望,天文學家已經在認真考慮:是否要給有可能孕育生命的天體所處的位置起一個新的名字,並且提出了溫帶、液態水區、狩獵區(寓意狩獵生命跡象的天體區域)和生態圈等等,甚至有人自創了一個詞:"ECHaLWOTS區"(Earth Could Have Liquid Water On The Surface,譯作表面有液態水的行星)。

同時,也有天文學家想起了一個塵封了許久的名字——戈爾德洛克區。戈爾德洛克區的含義其實就是可居住區,名字來自於一個外國童話。最早在1953年,就有人提出了這個概念。不過,就像現在所說的宜居帶一樣,戈爾德洛克區的侷限性也在系外行星的不斷髮現過程中暴露出來,因此越來越少地被人們所提及。

為何在發現大量位於宜居帶的系外行星後,科學家仍然持悲觀態度?

因此,一些天體生物學家正在嘗試設計類似於宜居性指數的東西,也就是對各個對生命有影響的因素進行加權計算,得到一個綜合的數字。大概類似於高考時不同科目分數不同,最終以總分來排名,只不過對於這個宜居性指數,計算公式要複雜得多。而且,這些因素還要有不同的限制,即使你高考時化學不及格,但其他成績很優秀,也能上個不錯的大學,但是如果溫度極低,那麼綜合指數再高,這顆行星也無法孕育生命。

波多黎各阿雷西博大學的天體生物學家阿貝爾-門德斯(Abel Méndez)從生態學中獲得了靈感,提出宜居性指數中最需要重點考量的5個因素分別是:行星接受到宿主恆星光照的量、行星的半徑、行星的反射率、表面被海洋覆蓋的比例和大氣密度。在這5個因素裡,除了前兩條,其餘都不太可能在地球上觀測到。

很多天文學家認為門德斯純屬扯淡,因為影響生命存在的因素遠比這個要多,比如熔融的地核、板塊構造、行星磁場、地質活動等等。而且,這些全都無法在地球上觀測到。

為何在發現大量位於宜居帶的系外行星後,科學家仍然持悲觀態度?

"哈佛大學天文學家Charbonneau懟道:“你可以列一個很長的表格,反正我們又測不了,這個表格再長也沒什麼卵用。”

沒錯,說真的,如果我們的科技已經發展到可以觀測到這些數據,恐怕這樣科技已經足以讓我們直接判斷那顆行星上是否有生命了。

直奔主題

因此,很多天文學家提議:別去考慮什麼所謂的宜居帶了,不如我們直奔主題,直接尋找系外生命的痕跡吧!

這麼做是有道理的,畢竟生命的出現帶有偶然性。也就是說,即使條件都滿足了,也未必就會出現生命。與其把時間花在尋找有可能孕育生命的線索上,不如去找那些確定有生命的行星。因為,生命本身也會帶來一些蛛絲馬跡,讓人類發現。

值得期待的是,NASA正在評估兩個新的任務。這兩個新任務都將打造專門尋找系外生命的觀測設備,一個是Habitable Exoplanet Observatory(宜居系外行星觀測器,HabEx),另一個是大型紫外/光學/近紅外探測儀,綽號為LUVOIR。這兩臺儀器都可以分析系外行星的大氣成分,只要系外生命存在,它們所排出的產物就會被這兩個探測器檢測到。

為何在發現大量位於宜居帶的系外行星後,科學家仍然持悲觀態度?

不過,科學家表示,即便我們想專注於直接尋找系外生命,宜居帶的概念仍然不可忽略,因為行星和恆星的距離決定了我們需要打造什麼樣的探測器。

另外,我們會發現,這些項目所要尋找的,都是和人類比較相似的系外生命,也就是碳基生命。科學家也在思考,宇宙中是否有硅基生命、氨基生命等生物形式。如果這種生物真的存在,恐怕我們現在的探測設備,都將和它們擦肩而過了……

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