为什么还没有发现另一个地球


文/ 谢 懿

 

寻找地外生命的历史和人类行星研究的历史一样长。金星和火星是早期的两大希望,但一个被证明太热,另一个则太干。如今,科学家已经跨越了太阳系,希望能发现另外一个地球。
定义不明的宜居带
为了缩小搜索范围,科学家瞄准了恒星周围的一个特定区域,该区域中的岩质行星的表面可能有液态水存在。这个区域被称为宜居带。
宜居带取决于它所围绕的恒星,因此其位置会随恒星的年龄和温度而变。例如,低温且暗弱的M型矮星,其宜居带比类太阳恒星的宜居带更靠近它本身。然而,宜居带中的许多行星很可能并不宜居,至少在其表面的大部分区域没有液态水存在。
太阳系中就有一颗这样的行星——火星。太阳系宜居带的外边界可以一直延伸到约1.7个天文单位(1个天文单位相当于地球到太阳的平均距离)处。火星到太阳的距离为1.5个天文单位,恰好位于该外边界附近,但是在火星表面上没有液态水。
从20世纪90年代至今,科学家仍然没有找到快速有效的方法来确定宜居带的边界,因为行星的特性会影响水能否存在于其表面。例如,岩质行星的定义就在不断变化。1993年,岩质行星指的是一颗半径不超过地球的2倍且质量不超过地球10倍的行星,而今天的定义趋向于一颗半径不超过地球1.5倍的行星,比这更大的天体现在被称为亚海王星,是有着岩质内核的气态行星。
行星上是否存在大气以及大气的成分,也有助于确定一颗行星的表面是否存在液态水。如果某颗行星的大气中二氧化碳和水的含量有别于地球大气,那它可能在距离其宿主恒星更远的地方有液态水存在。其结果是,不同的人对宜居带有不同的定义。
探测技术有待突破
使用目前的仪器,天文学家只能探测到在某颗恒星的宜居带内是否存在行星以及这颗行星的大小。根据这两个因素并不能推断出该行星是否承载了生命。不过,在一颗恒星的宜居带中发现一颗岩质行星会促使天文学家对其进行更为深入的研究。
根据宜居带的定义,天文学家正在尝试寻找生命体在行星大气中所留下的信号。行星表面的生物可以通过呼吸来改变行星大气,并使其达到可以探测的水平。科学家已经开始研究太阳系外行星的大气,但探测技术仍处于早期阶段。
发现一颗行星的陆地被植被覆盖将是另一个佐证生命存在的强有力证据。在未来20~30年,科学家有望在太阳系外行星上发现叶绿素,它可以证明植被的存在。不过,这也有可能会造成混乱。如果叶绿素的信号与存在有生命的大气成分信号不相符,那可能会引起更大的问题。探测到太阳系外行星上的叶绿素需要突破众多技术极限。
此外,磁场也被认为是重要的因素,因为它有助于维持行星的大气。另一个要素是行星上存在板块构造。在地球上,地质活动有助于调节大气中二氧化碳的含量。二氧化碳过多会导致失控的温室效应;过少则会使得行星封冻,水会冻结成冰。要想真正了解一颗行星的宜居性,就必须要知晓其内部的运转,而板块构造是了解行星内部奥秘的关键。

被冰封的生命迹象
上面这几个条件看上去似乎很熟悉,事实的确如此。我们的目标是找到一颗与地球相似的行星,而目前地球是唯一已知适合生命起源和演化的天体,因此宜居的条件都以它作为参照。但有人认为,太阳系外行星也许并非是最好的选择。为了认识太阳系外行星,需要对我们所处的太阳系有更多的了解。
在土星的卫星土卫六上有液态甲烷湖,它可以充当溶剂,扮演地球上的水的角色。太阳系中另一个适合生命起源和演化的潜在地点是木星的卫星木卫二。它是一颗冰质卫星,可能拥有一个地下海洋。在这些天体上,如果存在完全独立于地球的生命起源和演化,将帮助我们了解太阳系外行星上的生命,还有可能会改变目前以地球为中心的宜居带的定义。也就是说,位于我们所认为的宜居带之外的行星有可能也是宜居的。
然而,在数光年之外发现另一颗木卫二并不会在搜寻地外生命中扮演重要的角色,因为目前的仪器还无法探测到有关的迹象。如果某颗行星像木卫二一样,有冰层封锁住了下面的一切,天文学家将探测不到任何生命迹象。
夸张的报道
既然除了大小和位置之外,科学家无法测定行星的其他信息,那么为什么我们经常听到诸如“地球的双胞胎兄弟”或者“类地球行星”这样的说法?其中一个原因是因为“宜居带”这个名字本身很容易引起误解。
说起“宜居带”,有人会很自然地认为它是一个适宜生命存在的区域。但事实并非如此,因为有许多因素决定了行星是否宜居,而这些因素中的一些可能还有误导性。
1938年,美国天文学家哈罗·沙普利最初把该区域称为“液态水带”,这也许是个更恰当的名字。即便如此,它也有可能被误解成肯定有液态水存在的区域。很多天文学家认为,靠修改名称无法解决这个问题,沟通的问题只有通过教育才能解决。
但也有科学家认为问题还不止于此。在过去的20年中,太阳系外行星的急剧涌现导致了一些人出现了“审美疲劳”。除非语出惊人,否则新发现的太阳系外行星很难引起人们的兴趣。其结果是,科学家和媒体有时会进行夸张的报道。
相比于整个天文学,太阳系外行星的研究领域相对年轻且仍在继续发展。公众其实想知道的是最终的问题:在地球之外的天体上是否有生命,在太阳系之外的行星上是否滋养着文明?由于缺少耐心,人们往往只把目光投向了那些遥远的答案,而错过了我们在今天所了解到的东西。
因此,有必要说明,在找到最终答案的过程中,还要回答许多其他的问题。每一颗新发现的太阳系外行星都为了解行星包括地球的起源和演化提供了更好的机会。
(本文作者谢懿,博士,现供职于南京大学天文与空间科学学院)
何时发现另一个地球
美国国家航空航天局的开普勒空间望远镜已经发现了4000多颗新行星和行星候选者,为科学研究提供了充足的样本。尽管开普勒空间望远镜的主要目标之一是探测地球大小行星的丰度,但它无意把这些行星分类定性成“类地球行星”或“地球的双胞胎兄弟”,或者探测行星的具体特征。
然而,其他仪器将会帮助我们发现类地球行星。美国国家航空航天局的太阳系外凌星行星巡天卫星和欧洲空间局的太阳系外行星刻画卫星,都将帮助天文学家在明亮恒星周围寻找新的行星。詹姆斯·韦布空间望远镜将会深入探测由这些卫星发现的最佳候选体,对它们的大气进行分析,揭示出更多有关这些行星的信息。它还会对行星进行直接成像,由此进一步深入地了解它们。欧洲空间局的行星凌星和恒星振荡任务则将主要研究位于类太阳恒星宜居带内的类地行星。
所有这些任务都将帮助天文学家更多地了解太阳系外行星。有了它们的帮助,我们很有可能在21世纪20年代末或21世纪30年代首次真正发现另一个地球。

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