尋找系外行星生命，也許該去這裡找

據英國廣播公司（BBC）網站報道，天文學家們前幾天剛剛宣布了他們在距離太陽系最近的恆星：半人馬座比鄰星周圍發現一顆小型系外行星的消息，但天文學家們究竟是如何知道這顆行星是否存在宜居條件的？在科幻電影《星際穿越》中，宇航員們離開垂死的地球，前往宇宙深處尋找能夠讓人類棲身的宜居星球。

在電影《星際穿越》中，宇航員們離開地球，去尋找新的宜居行星

然而前兩個根據恆星-行星距離估算而猜測可能存在宜居環境的行星，進一步的考察結果卻發現這裡的環境簡直就是地獄，根本無法讓人類在此生存。考察小隊抵達的第一顆候選行星上存在劇烈的潮汐效應，其地表的浪高可以超過1公里，而在第二顆星球上則是滿世界的冰霜，並且空氣中充滿有毒的氨氣。

當然克里斯托弗·諾蘭（Christopher Nolan）導演的這部影片屬於科幻類別，但它的確道出了從事系外行星研究的科學家們在研究宜居環境是否存在時所考慮的諸多因素中的某些方面。

系外行星意思是指位於太陽系以外的行星，它們通常會圍繞另外一顆恆星公轉。尋找可能擁有適宜生命生存環境的另一顆星球將幫助我們回答一個長久以來我們一直想要知道答案的問題：我們在宇宙中是孤獨的嗎？但是，當天文學家們對媒體表示某個系外行星擁有「潛在宜居」的環境，他究竟說的是什麼意思？

與地球大小近似，圍繞近鄰恆星運行

波多黎各大學的阿貝爾·門德斯（Abel Méndez）教授表示：「當我們談論『潛在宜居』行星時，這種說法表示一顆行星擁有某些存在宜居環境所必須的特徵。」

當然這只不過時一種最基本的陳述，而並不能保證任何東西。但是有兩個方面是我們在談論行星宜居性話題時必然會涉及的：首先，這顆行星的大小是否在與地球相接 近的範圍內（因此有很大的可能性是一顆岩石行星）；第二，這顆行星是否位於所謂宜居帶範圍內（因而有很大可能擁有較為適宜的溫度環境）。

行星位於宜居帶範圍內是非常重要的。如果距離恆星太遠，那麼行星表面的溫度很容易過低，導致水體結冰，無法以液態水形式存在；而如果反之，距離恆星太近，則 行星表面的水體容易被蒸發殆盡。但請記住，這些都只不過是基本的準則，要想真正判定一顆遙遠的系外行星上是否存在適宜生命生存的環境，我們還需要考慮更多 的參數，當然其中有一些參數由於我們當前的技術條件限制是難以獲得的，因此在這裡也無法展開討論。

「凌星法」的原理如下：當系外行星的運行軌道平面恰好與我們的觀測視線方向一致時，行星會從恆星前方經過，遮擋一部分星光，從而導致這顆恆星的亮度出現短暫下降。通過對這種亮度降低現象的仔細分析，我們可以推斷出行星的存在

恆星的質量越小，其宜居帶距離恆星本身就越近

僅舉一例，正如英國華威大學的系外行星專家唐·波拉克（Don Pollacco）教授表所言的那樣：「當我們觀察是什麼因素賦予了地球宜居環境時，類似地球磁場這樣的一些因素就會顯得十分重要。但我們目前完全沒有辦法去測量一顆系外行星的磁場強度，因此我們只能選擇忽略這一點。」

但其他一些因素同樣非常重要，而且是可以進行探討的。首先，我們目前所知絕大部分所謂「潛在宜居」行星都圍繞紅矮星運行。紅矮星是一類相比我們的太陽質量更小，溫度也更低，亮度更黯淡的小型恆星。

在銀河系中紅矮星是數量最多的恆星類型，幾乎佔據整個銀河系內全部恆星總數的75%以上。但之所以我們所知絕大部分的小質量系外行星都圍繞紅矮星運行，其原因很大程度上是一種統計學偏差——因為紅矮星質量比較小，周邊的小質量行星施加的引力攝動就能對其產生較為明顯的影響，從而更容易被人們察覺。

徑向速度與掩星方法

天文學家們主要通過兩種手段開展系外行星的搜尋：第一種是徑向速度法，或者簡單的叫做「晃 動法」。具體來說就是如前文中所言，精確測量可能存在的行星對其繞轉的恆星所施加的引力影響；第二種方法叫做「凌星法」，其原理和我們觀測水星凌日或金星 凌日相似。當系外行星的運行軌道平面恰好與我們的觀測視線方向一致時，行星會從恆星前方經過，遮擋一部分星光，從而導致這顆恆星的亮度出現短暫下降。通過 對這種亮度降低現象的仔細分析，我們可以推斷出行星的存在。

一般而言，通過徑向速度法，我們可以了解一顆系外行星的質量大小，而凌星法則能告訴我們這顆系外行星的直徑有多大。很顯然，在採用徑向速度法時，恆星質量越小越容易探測到其周圍的行星，原因上文中已經解釋。

而對於凌星法而言，相比大型恆星，較小的系外行星能夠遮擋小型恆星更多的光芒，從而讓地球上的觀測者能夠獲得更加清晰的光變信號。如果恆星太大，而行星本身是地球大小的小型岩石行星，那麼它經過恆星面前所造成的光變信號將會非常弱，無法識別。

不過，由於紅矮星本身的亮度比太陽更暗，行星必須距離更近才能接收到足夠的光照以便保持合適溫度範圍，從而能夠讓水體保持液態。

但這一點反過來也方便科學家們進行系外行星的搜尋工作：行星距離恆星的距離更近，那麼它的公轉周期也就越短，於是我們只需要經過相對較短的時間就可以收集到多個公轉周期的數據，從而排除或確認相關信號的真實性。但與此同時，這一特點也會帶來嚴重的負面作用——行星到恆星的距離越近，它受到的潮汐作用就越明顯。這樣就很有可能導致行星處於潮汐鎖定狀態，簡單來說就是這顆行星的自轉周期和它的公轉周期會變得相同。很容易想像，處於潮汐鎖定狀態下的行星將總是以一面面朝恆星。

潮汐鎖定

在地球上，有一些生存在地下深處極端環境下的生命，這樣的生命或許可以抵禦類似紅矮星產生的強烈輻射侵襲

月球處於地球的潮汐鎖定狀態下，這也就是為何我們總是只能看到月亮同一面的原因。但和月球不同的是，對於被恆星潮汐鎖定的行星來說，將會出現半個行星永遠是白天，另外半個行星永遠是黑夜的情況。

唐· 波拉克指出：「熱量從一個半球傳往另一個黑暗半球的唯一途徑，要麼是從行星內部傳導過去，要麼就依靠大氣的流動——當然前提是它有大氣層的話。有人猜想， 如果這個行星一個半球是高溫的，另一個半球是黑夜的，那麼在這兩個半球之間應該會存在一個溫度適宜的區域。」他開玩笑說：「大概就像這樣：往這邊多走幾步 你就被烤焦了，但如果往那邊多走幾步的話，你就被凍僵了。」

關於潮汐鎖定對於行星宜居性的影響有很多不同的觀點。但相比質量較大的恆星，小質量恆星的活動更加劇烈且難以預測。

波拉克教授和來自華威大學、貝爾法斯特女王大學和丹麥奧胡斯大學的同事們緊密合作，對美國宇航局開普勒望遠鏡所發現的多個系外行星目標進行了細緻研究。

他們發現其中的一顆恆星Kepler -438上發生了一次超級耀斑，這是恆星表面的一種劇烈活動現象，能夠將大量高能帶電粒子拋射進入太空中。科學家們認為這些猛烈的爆發將可能撕開附近行星的大氣層並摧毀地面上的所有生命。

但波拉克對此也提到了另外一方面的考慮，他說：「在地球上，我們在岩石內部和最深的海底都發現有生命存在。如果你距離這樣的強烈耀斑太近，你就會明白這些生命躲在這些地方的好處。在那樣的環境下，你將不得不採取不同的進化方式。」

他說：「我們已經知道有一個行星系統上存在著生命，現在我們正將這一系統作為標杆。但我們此前曾經使用過類似的類推方法，但卻得到了出乎我們預料的結果。因此很有可能會發生的是，當我們以地球上的生命為基礎去進行推測時，就很有可能會犯錯。」

喬·耶金斯（Jon Jenkins）博士參與了美國宇航局開普勒空間望遠鏡項目，他贊同這一觀點，並指出，當前有一個問題仍然還沒有確切的答案，那就是生命究竟更加容易在哪一類型的行星系統中出現，是在圍繞紅矮星周圍，還是在圍繞類似太陽這樣質量更大，也更為明亮的恆星周圍？他表示：「在搜尋生命的旅程中，我們真的必須將每一塊石頭都翻過來，看看有什麼東西會爬出來。」

阿貝爾·門德斯是波多黎各大學行星宜居實驗室主任，他指出，此次發現的系外行星圍繞比鄰星運行，這是一顆紅矮星，這一案例可以為我們檢驗各種不同理論提供機會。他說：「如果我們最終發現這樣的環境是難以讓生命在此生存的，那麼這就意味著我們銀河系內超過75%的恆星周圍是難以出現適宜生命存在的環境的，這樣的結論是非常有價值的。」

宇宙中的生命

比鄰星附近發現的系外行星將成為一個天然實驗室，幫助我們檢驗很多理論的正確性

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡將於2018年發射升空，預計它將革新我們對於系外行星的理解

然而，並非我們所有的潛在目標都圍繞暗弱的小質量恆星運行。就在2015年，美國宇航局宣布開普勒空間望遠鏡發現了一顆比地球稍大的系外行星，這顆行星圍繞運行的是一顆與太陽相似的恆星，並且這顆系外行星的公轉周期也和我們的地球相當接近：385天。

很多人認為開普勒452b是迄今發現的和地球最相近的行星，這並不令人奇怪，但耶金斯博士指出，當時美國宇航局的研究組為了作出這項發現，開展了非常艱難的工作。

首先，他們必須排除來自那顆與太陽同一級別的恆星產生的「噪音」信號，結果顯示其活躍程度比預想的高出了兩倍。但同時研究人員們還必須與圖像中的干擾信號作鬥爭，這些干擾信號是由於望遠鏡本身的主要設備在特定的飛船熱環境下所產生的。

儘管目前要想找到運行在宜居帶內，且圍繞類太陽恆星運行的系外行星仍然是非常困難的，但在不久的將來，天文學家們幾乎肯定將能夠對大量此類系統開展研究。

之所以有這樣的自信，是基於未來十年內全球即將要投入運行或者發射升空的地基或天基的大型先進望遠鏡設備，其中包括歐洲的柏拉圖望遠鏡（PLATO）、美國宇航局的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡以及設在智利境內的歐洲極大望遠鏡（E-ELT）。

耶金斯博士任職於美國宇航局設在加州的埃姆斯研究中心，他指出：「說起來真是令人難以置信。因為僅僅是在30年前，當我還是個大學生的時候，在那個時候僅僅是想探測到一顆系外行星聽上去都像是科幻故事。」他說：「我非常期待看到在未來的30年內將會發生怎樣的進展。」

尋找系外行星上的生命跡象，有一種方法是探測這些遙遠行星大氣中的氣體成分，這被阿貝爾·門德斯稱作是「偉大的下一步」。

他表示，這一進展或許將讓我們能夠「不 僅能夠判斷某顆系外行星是否宜居，還能告訴我們這顆行星上目前是否已經存在生命。」門德斯教授認為，在那些位於宜居帶內的系外行星大氣中檢測氧氣或者甲烷 氣體的存在將是提供這類證據的重要途徑。但他也承認，如果真的檢測到這樣的氣體，仍然還不足以確認系外行星上生命的發現，你還需要其他方面的證據支持。

不過，天文學家們都一致同意有一樣氣體信號的確是可以作為生命存在的確鑿證據的，那就是只能通過人工方式產生的那些氣體，換句話說就是——污染物。波拉克教授承認這樣的想法有些令人喪氣，但他指出：「這必定能夠說明些什麼——或許是某個技術社會。」

的確，這樣的想法有些讓人沮喪——我們發現的首個地外生命證據或許將可能是某個正在破壞自己所居住環境的外星社會，我們找到的首個直接觀測證據竟然是他們排放在自己星球大氣中的污染氣體。

但不管如何，正如波拉克所言，這樣的結果也畢竟有它正面的意義：「終於，我們找到了能夠與之對話的同類。」

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