「宜居行星」概念遭質疑？新定義將被用來準確尋找地外宜居星球

最新 08-04

在過去的幾十年里，在我們的星系中發現了數以千計的太陽系系外行星。截至2018年7月28日，在2814個太陽系外行星系統中發現了3374顆行星。雖然這些行星大多是氣態巨行星（又稱類木行星，在木星之外的行星或巨行星，是不以岩石或其他固體為主要成分構成的大行星），但類似地球的行星(即岩石行星) 被發現的數量也在不斷增加，這些岩石行星在其各自恆星系統的宜居帶(HZ)內平穩運行著。

藝術家對一個太陽系外類地行星的印象，歐洲南方天文台（ESO）

然而，正如太陽系所顯示的那樣，HZ並不意味著一顆行星有生命存在：金星和火星分別位於太陽系HZ的內部以及外部邊緣，但它們都無生命存在。隨著更多「宜居」行星不斷被發現，也許是時候完善我們對宜居帶的定義了。

有項名為「在其他星球上尋找生命的更全面的宜居地帶」的研究最近在網上出現。這項研究是由東京理工學院地球生命科學研究所的科學家Rameses M.Ramirez博士進行的。多年來，Ramirez博士一直致力於研究宜居行星，並建立了氣候模型來評估行星適宜居住的過程。

描述宜居區(HZ)邊界的圖表，以及恆星類型對邊界的影響，公共維基百科/切斯特·哈曼

正如Ramirez博士在他的研究中所指出的那樣，HZ通常的定義是圍繞恆星的圓形區域，在那裡，繞軌道運行的物體表面的溫度足以使水保持在液體狀態。然而，這本身並不意味著一顆行星是適宜居住的，還需要考慮更多的因素，以確定那裡的生命是否能夠真正存在。Ramirez博士通過電子郵件告訴「今日宇宙」：

「傳統的HZ定義假設在潛在的宜居行星上最重要的溫室氣體是二氧化碳和水蒸氣，它還假設這些行星上的宜居性是由碳酸鹽-硅酸鹽循環維持的，就像地球的情況一樣。在地球上，碳酸鹽-硅酸鹽循環是由板塊構造驅動的.」

「碳酸鹽-硅酸鹽循環調節著二氧化碳在地球大氣、陸地表面和地球內部之間的遷移。它作為一個行星恆溫器，在長時間的上升過程中，確保大氣中二氧化碳不會太多(使地球變得太熱)或太少(使地球變得太冷)。傳統的HZ還假定，宜居行星的總水量(例如海洋中的總水量)與地球上的水量相似。「

這就是所謂的「低處的果實」（low-hanging fruit）定義法，在這種方法中，科學家們根據我們人類最熟悉的東西，尋找適合居住的跡象。考慮到我們僅有的宜居例子是地球，因此對系外行星的研究一直集中尋找在成分(即岩石)、軌道和大小上類似於地球的行星（類地行星）上。

圖示顯示GJ 625的宜居帶與太陽的相比較。供圖者：加拿大天文觀測研究所(IAC)

然而，近年來，這一定義受到了一系列新研究的衝擊。由於系外行星的研究已經從僅僅檢測和確認其他恆星周圍存在的天體方面開始轉變為對其特徵的描述，新的HZ定義已經出現，人們試圖利用這一新的定義捕捉到可能適合居住的世界的多樣性。

正如Ramirez博士所解釋的，這些較新的定義通過考慮宜居行星可能具有不同的大氣成分來補充HZ的傳統定義：

Trappist-1E宜居行星日出想像圖

「例如，他們考慮到其他溫室氣體的影響，如CH4和H2，這兩種氣體都被認為對形成地球和火星的早期環境都很重要。這些氣體的加入使宜居帶比傳統的HZ定義所預測的範圍更大。這是偉大發現，像Trappist-1h（一顆表面溫度極低的紅矮星，距離地球約39.13光年，與木星接近），曾被認為是在HZ以外的行星，現在可能在它之內。也有人認為，在高溫恆星的外緣附近有密集的CO2-CH4大氣的行星可能有人居住，因為沒有生命的存在很難維持這樣的大氣層。

其中一項研究是由Ramirez博士和康奈爾大學Carl Sagan研究所的副教授Lisa Kaltenegger進行的。根據他們在2017年發表的一篇論文(刊登在「天體物理學雜誌」上)，系外行星搜尋者有一天可以發現，由於火山活動的存在，行星會變得適合居住，而這些行星可以通過大氣中的氫氣(H2)來識別。

日地距離和恆星溫度範圍的對比，傳統宜居帶(藍色陰影)和火山宜居帶延伸區域(陰影紅色）R.Ramirez

這一理論是對「類似地球」條件探索的自然延伸，它認為地球大氣層並不總是現在的樣子。基本上，行星科學家認為，數十億年前，地球早期大氣層是由火山噴發和大氣中氫和氮分子之間的相互作用而產生的豐富的氫氣(H2)組成，這就是使地球溫暖到足以發展生命的原因。

在地球上，氫分子最終散逸到太空，這被認為是所有類地行星的情況。然而，一個火山活動足夠多的行星可以保持大氣中氫氣的存在，從而產生溫室效應，使其表面保持溫暖。從這方面來說，大氣中有氫氣存在的行星也應該在恆星的HZ內。

Ramirez認為，還有時間因素，在目前評估HZ時通常不考慮這個因素。簡而言之，恆星隨著時間的推移而進化，並根據它們的年齡釋放出不同程度的輻射。這會改變恆星的HZ範圍，這可能不包括目前正在研究的一種行星。正如Ramirez所解釋的：

「已經證明，M型紅矮星們（真正的低溫恆星）在它們最初形成時是如此的明亮和熾熱，以至於它們可以乾枯任何後來確定為傳統HZ內的年輕行星。這就強調了一個點，一顆目前位於可居住地帶的行星，並不意味著它實際上是可居住的（更不用說有人居住了）。我們應該注意這些例子。

最後，天文學家們認為在尋找太陽系外宜居行星的過程中研究哪種恆星系統是個值得思考的問題。雖然針對G型黃矮星(這就是我們的太陽)做了很多研究，但目前更多的研究是針對M型紅矮星的，因為其HZ內運行的行星被認為是類地行星最有可能存在的地方。

宜居行星與地球的大小對比

Ramirez說：「雖然以前的大多數研究都集中在單星系統上，但最近的研究表明，在雙星系統甚至紅巨星或白矮星系統中都可能發現宜居行星，而潛在的宜居行星也可能以沙漠世界的形式存在，甚至可能是比地球濕潤得多的海洋星球形式存在。」這樣的定義不僅大大擴大了宜居行星尋找的參數空間，而且使我們能夠過濾出最多(也是最少)有可能承載生命的世界。

最後，這項研究表明，傳統的HZ並不是唯一可以用來評估地球外生命存在的工具。因此，Ramirez建議，在未來，天文學家和系外行星搜尋者應該在經典HZ研究上補充這些較新的額外考慮。這樣做，也許能夠最大限度地利用這些條件尋找到外星生命。

Ramirez說：「我建議科學家特別關注一下行星系統的早期階段，因為這有助於確定一顆目前位於適宜居住區域的行星是否值得進一步研究，以獲得更多的生命證據。」「我還建議將各種HZ定義結合使用，以便我們能夠最好地確定哪些行星最有可能承載生命。這樣，我們就可以對這些行星進行排序，並確定哪些行星在觀測上應該花更多的時間和精力。屆時，我們還將測試HZ概念的有效性，包括確定碳酸鹽-硅酸鹽循環在宇宙尺度上的普遍意義。」