為什麼還沒有發現另一顆地球？

為什麼還沒有發現另一顆地球？

天文地理

尋找地外生命的歷史，跟人類研究行星的歷史一樣長。金星和火星是早期的兩大希望，但一顆已被證明太熱，另一顆則太干。如今，科學家已經躍出了太陽系，希望能發現地球2.0。

為了縮小搜索的範圍，科學家瞄準了恆星周圍的一個特定區域，該區域中的岩質行星，可以有液態水存在於它們的表面。這個區域就被稱為宜居帶。

在長達近50年的時間裡，宜居帶這個詞一直被禁錮在學術文獻中。由於此前還沒有在太陽系外發現過行星，因此普通老百姓甚至都不曾聽說過它。然而，自2010年美國航空航天局的開普勒探測器井噴式地發現了大量的太陽系外行星候選體之後，宜居帶如雨後春筍般地出現在了科學期刊上，同時也進入了公眾的視線。

這個轉變並非是漸進的。儘管科學界未曾想傳遞出這樣的信號，但宜居帶不禁讓人聯想到它是一個生命可以起源和演化的區域。諸如「宜居行星」、「地球孿生兄弟」和「地球2.0」這樣的辭彙，讓這個局面變得更加混亂，導致科學含義與公眾想像之間的差別變得更加模糊不清。

太陽系外類地球行星與地球的比較示意圖。版權：NASA

什麼是宜居帶？

探測太陽系外行星是一個相當年輕的領域，但宜居帶這個詞至少可以追溯到20世紀50年代。在那時，它表徵的是恆星周圍存在可以承載生命行星的區域。但上世紀90年代天文學在太陽系外發現了第一顆行星之後不久，一篇新發表的論文給出了當今「宜居帶」的定義。在這篇發表於1993年的重要論文中，第一作者、美國賓夕法尼亞州立大學教授吉姆·卡斯廷（Jim Kasting）提出，「宜居帶」較為保守的定義是在一顆恆星周圍、岩質行星在其表面可維持液態水的區域。

由於宜居帶取決於它所圍繞的恆星，因此其位置會隨恆星的年齡和溫度而變。例如，低溫且暗弱的M型矮星周邊的宜居帶，就會比類太陽恆星的宜居帶更靠近恆星本身。宜居帶有時也被稱為「黃金地帶」，因為它涉及到水，既不能太熱，也不能太冷。然而，僅僅因為液態水可以流過某顆行星上的平原，並不意味著它真的有水——這是一個重要的區別。宜居帶中的許多行星很可能並不宜居，或者至少其表面的大部分區域無法維持住液態水。

在我們的太陽系中，就有一顆行星符合這個標準——火星。火星位於該定義下的宜居帶內。太陽系宜居帶的外邊界可以一直延伸到大約1.7個天文單位處。1個天文單位相當於地球到太陽的平均距離。火星到太陽的距離為1.5個天文單位，恰好位於該外邊界附近，但是火星表面上沒有液態水。

自20世紀90年代以來，科學家一直在試圖建立更加可靠的邊界。但是，仍然沒有找到快速有效的方法，因為行星的特性也會影響水是否能存在於它的表面。例如，岩質行星的定義就在不斷變化。在1993年，岩質行星的含義是一顆半徑不超過地球2倍且質量不超過地球10倍的行星。今天，對類地球行星的定義趨向於一顆半徑不超過地球1.5倍的行星。更大的天體現在被稱為亞海王星，是有著岩質內核的氣態行星。

行星大氣的存在與否以及大氣的成分，也有助於確定一顆行星的表面上是否能維繫住液態水。如果某顆行星的大氣有著不同於地球大氣中二氧化碳和水的含量，那它可以在距離宿主恆星更遠的地方維持有液態水。其結果是，不同的人對宜居帶有著不同的定義。

搜索生命跡象

使用目前的儀器設備，天文學家只能探測在某顆恆星的宜居帶內是否有行星存在，以及這顆行星有多大。根據兩個因素並不能推斷出該行星是否承載有生命。不過，在一顆恆星的宜居帶中發現一顆岩質行星會促使天文學家對其進行後續更為深入的研究。

宜居帶的這種定義，可以讓天文學家嘗試尋找生命體在行星大氣中留下的信號。這意味著，行星表面的生物可以通過每一次呼吸來改變行星大氣，並使其達到可以探測的水平。科學家已經開始研究太陽系外行星的大氣，但探測技術仍處於早期階段。在第一顆太陽系外行星被發現前不久發射升空的哈勃空間望遠鏡，是第一個研究太陽系外行星大氣的儀器。當太陽系外行星從其宿主恆星前方經過時，哈勃望遠鏡就可以對其大氣進行研究。來自恆星的光芒會照亮行星大氣，使得天文學家能夠探測其成分。

是什麼決定了一顆行星是否宜居，或者說至少具備適合生命的條件呢？現在，天文學家正在尋找地球大小且以二氧化碳和水作為主要溫室氣體的行星。此外，磁場也被認為是重要的因素，因為它有助於維持行星的大氣。另一個要素是存在板塊構造。在地球上，地質活動有助於調節大氣中二氧化碳的含量。二氧化碳過多會導致失控的溫室效應；過少則會使得行星封凍，水都凍結成冰。要想真正了解一顆行星的宜居性，就必須要知曉其內部的運轉。板塊構造是讓你開啟通往行星內部之門的關鍵。

審視太陽系

上面這幾個條件看上去似乎很熟悉，事實也確實如此。我們的目標是要找到另一顆與地球相似的行星，而目前地球是唯一已知適合生命起源和演化的天體，因此宜居的條件都以它作為參照。但在尋找宜居星球的過程中，有人認為太陽系外行星也許並非是最好的選擇。為了認識太陽系外行星，需要對我們所處的太陽系有更多的了解。

在土星的衛星土衛六上有液態甲烷湖，它可以充當溶劑，扮演地球上水的角色。太陽系中另一個適合生命起源和演化的潛在地點是木星的衛星木衛二，它是一顆冰質衛星，可能擁有一個地下海洋。美國航空航天局計劃在21世紀20年代中期發射一枚探測器對其進行研究。在這些天體上，如果存在完全獨立於地球的生命起源和演化，將可以幫助我們了解太陽系外行星上的生命，還有可能會改變目前以地球為中心的宜居帶定義。位於我們所認為的宜居帶之外的行星，有可能或多或少也是宜居的。

當然，在數光年之外發現另一顆木衛二並不會在搜尋地外生命中扮演重要的角色，因為目前的儀器還無法探測到有關的跡象。眼下天文學家只能探測到行星大氣。如果在某顆行星上有一個冰層封鎖住了下面的一切，生命無法突破它，我們也就探測不到任何的生命跡象了。

地球失散多年的胞弟

雖然在宜居帶之外可能存在著宜居的天體，但是被歸類為類地球行星的天體卻必定位於宜居帶內。最近，美國宇航局宣布，位於一顆類太陽恆星宜居帶內的岩質行星開普勒-452b或許是與地球最相近的胞弟。但是，當天文學家把一顆行星稱為地球的胞弟時，他們其實只參考了幾個關鍵特徵。

科學家在說「宜居帶內的一顆類地球行星」的時候，指的是位於可維繫液態水的宜居帶中的一顆地球大小的行星。

是的，僅指大小和軌道而已。但是，「地球胞弟」或者「類地球行星」這樣的辭彙卻讓人聯想到與地球一模一樣的行星，也有著海洋、陸地和雲彩。要想確定某顆行星是地球2.0，光知道半徑是肯定不夠的。除非至少能夠確定這顆行星圍繞的是一顆類太陽恆星，在這顆行星上有海洋和大氣，並且還發現了大量的生命跡象，否則嚴謹的天文學家不會輕易把一顆行星稱為「地球胞弟」或者是「地球2.0」。

發現一顆行星的陸地為植被覆蓋，將會是另一個佐證生命存在的強有力證據。在未來20~30年之內，科學家就有望在太陽系外行星上發現葉綠素，它可以證明有植被存在。不過，這也有可能會造成混亂。如果葉綠素的信號與存在有生命的大氣成分信號不相符，那它可能會引起更大的問題。探測到太陽系外行星上的葉綠素需要突破人類技術的眾多極限。

開普勒-452b被發現時，被稱為是與地球最相似的胞弟。圖片來源：NASA

在那之後，我們就不得不停下腳步了。天文學家可以繼續探測遙遠的行星是否宜居，但也許要花幾百甚至上千年的時間才能收集到在太陽系外的行星上存在有生命的直接證據。

美國航空航天局的開普勒空間望遠鏡已經發現了總共4000多顆的新行星和行星候選者，為科學研究提供了充足的樣本。儘管開普勒望遠鏡的主要目標之一是探測地球大小行星的丰度，但它無意把它們分類定性成類地球行星或地球胞弟，開普勒從來就沒有打算成為一個探測行星具體特徵的任務。

但其他的儀器將會幫助我們發現類地球行星。美國航空航天局的太陽系外凌星行星巡天衛星和歐洲空間局的太陽系外行星刻畫衛星都將幫助天文學家在明亮恆星周圍尋找新的行星。詹姆斯·韋布空間望遠鏡將會深入探測由這些巡天所發現的最佳候選體，對它們的大氣進行分析，揭示出更多有關這些行星的信息。它還會對行星進行直接成像，由此可以進一步深入了解它們。歐洲空間局的行星凌星和恆星振蕩任務則將主要研究位於類太陽恆星宜居帶內的類地行星。

所有這些任務都將幫助天文學家更多地了解太陽系外行星。有了它們的幫助，人類很有可能會在21世紀20年代末或21世紀30年代首次真正發現另一個地球。

混淆視聽

如果除了大小和位置之外科學家無法測定行星的其他信息，那麼為什麼我們經常會聽到諸如「地球胞弟」或者「類地球行星」這樣的說法？這個名字本身就是其中一個原因，它很容易引起誤解。

當你在談論宜居帶時，有人會很自然地認為你是在談論一個適宜一切的區域。但事實並非如此，因為有許多因素決定了行星是否宜居，而這些因素中的一些可能還具有誤導性。「類地球行星」不是一個合適的說法，更準確的說法應該是「宜居帶中可能的一顆岩質行星」。

1938年，美國天文學家哈羅·沙普利（Harlow Shapley）最初把該區域稱為「液態水帶」，這也許是個更恰當的名字。即便如此，它也有可能被誤解成那裡是肯定有液態水存在的區域，而不是一種可能性。很多天文學家認為，靠修改名稱無法解決這個問題。溝通的問題只有通過教育才能解決，許多辭彙在一開始就容易讓人混淆。

但也有科學家認為問題還不止於此。在過去的20年中，太陽系外行星的急劇湧現導致了一些人出現了審美疲勞。除非語出驚人，否則新發現的太陽系外行星很難引起人們的興趣。其結果是，科學家和媒體有時會使用超乎已知的特性來誇張地報導。

相比於整個天文學，太陽系外行星領域相對年輕且仍在繼續增長。公眾其實想知道的是最終的問題：在地球之外的天體之上是否承載有生命，在太陽系之外的行星上是否滋養著文明？由於缺少耐心，人們往往只把目光投向了那些遙遠的答案，而錯過了我們在今天所了解到的東西。

對此，有必要說明，在回答這個最終問題的過程中，沿途還要回答許多其他的問題。每一顆新發現的太陽系外行星都為了解行星——包括地球——的起源和演化提供了的機會。

通過主要強調行星的宜居性，有人正試圖提前宣布未來至少還需要10年才能作出的真正發現。終有一天，我們將能夠測量一顆太陽系外類地行星的大氣，確鑿無疑地分辨出它是否宜居。屆時肯定會有人說：「10年前我們不是就已經發現過了嗎？」

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