为什么我们时至今日还没找到另一个“地球”

[ 录入者:champagnecat | 时间:2016-11-27 14:08:13 | 作者:京晶 译 | 来源:APOD | 浏览:1743次 ]
作者:Nola Taylor Redd 原文来自:Astronomy   Posted:2016年2月刊
编译:京晶   审校:数星星的猫 (编译版权所有,未经许可请勿转载)

 

自从人类开始研究行星,他们就一直在寻找地外生命。人们曾寄希望于金星和火星,但是,它们一个太过炽热,另一个则太过干旱。如今,科学家把搜寻的目光投向太阳系外,希望在那里找到一颗类似地球的行星——地球2.0。

为了缩小搜索范围,科学家在恒星周围定义了一个区域。处于这个区域的岩体行星,其地表可以有液态水。这个区域就是宜居区。近50年来,这个词一直被当做科学术语使用。在还没找到系外行星的时候,公众从来没有听过这个词。然而,自从2010年美国宇航局的“开普勒”飞船证认了一批系外行星候选者,“宜居区”忽然从学术论文中一跃而出,进入了公众的意识中。

不过,从宜居区转变到非宜居区的过程并不一定是平缓流畅的。在人们的脑海中宜居区成了一个可以演化出生命的区域,虽然,这并非科学家想表达的意思。类似“宜居行星”、“地球双胞胎”和“地球2.0”这样的称呼更令人困惑,模糊了科学家的本意和公众想象之间的差别。

 

定义宜居区

搜寻系外行星是一个新兴的研究领域,但“宜居区”这个概念早在上世纪50年代就已经存在了。当时,“宜居区”指的是恒星周围的一个区域,区域内的行星适宜生命生存。不过,到了90年代,科学家刚刚发现第一颗系外行星没多久,一篇新发表的学术论文就赋予了这个词现在的含义。

 “1993年定义的“宜居区”指的是环绕恒星的一系列距离,处于那些距离上的岩体行星的表面可以有液态水存在。”美国宾夕法尼亚州立大学的Jim Kasting教授说。(他是那篇关键文章的第一作者。)

由于宜居区的位置依赖于母星的性质,所以,恒星的年龄和温度不同,其宜居区所在的位置也不同。举例来说, 和类似太阳的恒星的宜居区相比,温度较低、亮度也较暗的光谱M型恒星的宜居区要更靠近母星一些。

 

每一颗恒星的宜居区都不完全相同。(图片来源:ASTRONOMY:ROEN KELLY AND RICK JOHNSON)。从左至右:太阳系:我们所处的这个行星系统至今仍保持着围绕恒星公转的行星数目最多的纪录。不过,未来的技术可能会打破这个纪录。Gliese 876:这个系统有三颗巨行星,具有罕见的1:2:4轨道共振关系。即最外面的行星公转一周时,中间的行星公转两圈,而最靠内的已经转了四圈。具有这样共振关系的组合,除此之外已知仅有一例——木星的三颗卫星:木卫一、木卫二和木卫三。Gliese 667C:在这个系统的六颗行星中,就有三颗位于其母星的宜居区内。在宜居区里,行星地表可以有液态水。Gliese 687:在这个系统中,行星与海王星质量相近,正在围绕一颗小质量恒星,在一个靠内侧的圆形轨道上运动着。天文学家发现,这类系统十分常见。Kepler-90:这个系统有七颗行星围绕着一颗恒星公转,因此成了最出名的系外行星系统。天文学家认为,最内侧的行星是岩体行星,其余的都是气态行星。

 

宜居区有时候也叫“适居带”,因为那里既然有水,就不会太热,也不会太冷。然而,仅仅因为行星的地表上可以有水流动,却并不意味着它一定有液态水——这是一个巨大的区别。

康奈尔大学的行星科学家Ramses Ramirez是淡蓝色的点研究所的建立者之一,他说:“宜居区里有大量的行星可能并不适宜居住,或者,至少其地表没有大片大片的液态水。”

Ramirez指出,在我们自己的太阳系的宜居区里就有这样的一颗行星--火星。这颗红色行星身处于我们定义的宜居区内(其边界延伸到1.7倍日地距离(天文单位)远)。火星位于1.5个天文单位处,靠近宜居区的外边界,但其地表却没有液态水。

自上世纪90年代以来,科学家一直尝试严格地划出的宜居区边界。但是,仍然没有找到既可靠又便捷的方法,因为行星的特性影响着其地表是否有液态水。

例如,Kasting指出,岩体行星的定义本身就在不断改变着。他说,在1993年,只有半径约为地球半径的两倍,同时质量不超过十倍地球质量的行星才被称为岩体行星。而如今,一颗半径不超过1.5倍地球半径的行星就被称为类地行星了。个头更大的行星现在被称为海王星子类--内部有固态核的气态行星。

行星是否有大气,以及大气的物质构成也能帮助我们确定,行星的地表能否留住液态水。如果行星大气中二氧化碳和水的含量与地球大气不同,那么,距离母星更远一些的行星才能有液态水。Kasting说,这个结果使得不同的研究者对宜居区的定义也不同。

“我们需要把我们的选择系统化。” Kasting说

 

搜寻生命的迹象

现在的仪器只能告诉科学家系外行星是否位于其母星的宜居区内,以及它的个头是否与地球相似。而这两个因素并不是生命能够在行星上生存的必要条件。尽管如此,在其母星的宜居区内运动的岩体行星仍有可能促使科学家对其展开深入研究。

“根据宜居区的定义,我们可以找到能够在大气中留下生物信号的生命形式。”

也就是那些改变了自己呼吸的空气,以致于我们可以探测到这些变化的地表生命。科学家已经着手研究系外行星的大气了,只是分析技术还不成熟。最先参与这类研究的是美国宇航局的哈勃空间望远镜--其实在它上天后没几年,人们就发现了系外行星。

 “哈勃”趁着行星掩食其母星(即行星从母星前方横穿而过)时研究它的大气。母星发出的光照亮了行星的大气,科学家借此可以探测行星大气的物质构成。

什么样的行星适宜生命居住呢?“它至少得具备生命扎根的条件,”Ramirez说。

目前,科学家正在搜寻个头与地球相似、且大气主要由像二氧化碳和水这样的温室气体构成的行星。一般认为磁场也很重要,因为它能帮助行星留住自己的大气。

在Ed White进行了美国历史性的第一次太空行走之后,1965年6月,搭乘双子座四号飞船的宇航员Jim McDivitt和Ed White在飞越佛罗里达海峡上空时,用一台哈苏相机和70毫米镜头拍下了上面这张照片。(图片来源:NASA)

 

另一个关键要素是板块构造,麻省理工学院地球、大气和行星学系的博士后Vlada Stamenkovic说。在地球上,地质活动有助于调节地球大气中的二氧化碳含量。如果二氧化碳气体过多,温室效应将会失控;如果太少,水就全冻成冰了,地球也就变成冰球了。

 “如果你真想理解宜居性,你就必须理解行星内部的运作模式,”Stamenkovic说。“板块构造就是研究行星内部的锁钥。”

 

自我检查

觉得这一切听上去很耳熟?确实如此。我们的目标就是找到另一颗类似地球的行星。因为,截止目前,地球是已知唯一一个具备生命演化所需条件的行星。

但是,在寻找宜居行星的过程中,一些人认为系外行星也许并不是我们最好的搜寻目标。

“我强烈地感觉到,如果要了解系外行星,我们必须先增进对太阳系的认识。”Ramirez说。

他拿土星的卫星泰坦作例子。泰坦的表面有许多甲烷湖,如同地球上的水一样,起着溶剂的作用。太阳系里另外一个可能有生命的天体是木星的卫星欧罗巴。科学家认为这个“大冰块”有地下海洋。美国宇航局计划在本世纪20年代中期发射一个探测器去研究这个“大冰块”。 这些天体上的生命起源与地球生命毫无关联,它们的演化历程能够帮助我们理解系外行星上的生命,Ramirez说。它还可能改变宜居区的定义,让其不那么以地球为中心。

 “在我们定义的宜居区外运动的行星可能也适宜居住,”宾夕法尼亚州立大学的Aleksander Wolszczan说。他是搜寻系外行星的头一批人中的一个。

当然,在搜寻地外生命时, 寻找位于几光年之外的类似欧罗巴的行星并不那么重要,因为现在的仪器还无法探测到任何迹象。

 “我们只能研究大气,” Ramirez说。“如果行星的表面恰好有冰壳,那就把所有的东西都封住了,生命不会破冰而出。我们的测量很可能不会得到任何结果。”

 

失散多年的地球双胞胎

虽然宜居区外也可能有适宜居住的行星,但类地行星是身处宜居区内的。

最近,美国宇航局宣布在一颗类似太阳的恒星的宜居区内发现了一颗岩体行星——Kepler-452b。许多人称它是地球的双胞胎。不过,当天文学家把一颗行星叫做地球的双胞胎时,他们指的仅仅是一些关键特征。

2015年,美国宇航局开普勒飞船释放了最新一批系外行星的观测数据。上图展示的是岩体行星Kepler-452b。科学家认为,它的个头比地球大很多,正在围绕一颗类似太阳、但却比后者年老很多的恒星公转着。(图片来源:NASA/JPL-CALTECH/T. PYLE)

“当科学家说到‘宜居区内的类地行星,’,他们的意思是一颗位于宜居区内、个头与地球差不多,并且可以有液态水的行星,” Stamenkovic说。

个头和轨道,这样就可以了。但是,“地球双胞胎”或者“类地”这个词会让人联想起一模一样的双胞胎——一个有海洋、陆地和云团的行星。“要想确定一颗行星是不是地球2.0,除了它的半径,我们还需要知道更多的信息,” Ramirez说。“我不会把任何行星叫做地球双胞胎或者地球2.0,直到我们能够确认它至少是不是围绕着一颗类似太阳的恒星转动,确定其上有海洋、大气,而且我们已经发现真正的生物信号。”

从近处看,我们能找到很多迹象表明地球是一个适宜居住的行星。国际空间站上的宇航员Reld Wiseman拍摄了上面这张照片:向北看,越过古巴,就是美国的东南部本土了。(图片来源:NASA)

 

行星宜居性实验室(Planetary Habitability Laboratory)主任Abel Mendez认为,地表有植被覆盖将会是有生命存在的另一个强烈的暗示。他说,在未来20至30年,科学家们能够探测系外行星是否有叶绿素,这将告诉我们其上是否有植被。他还提醒说,这样的信号也可能具有迷惑性。如果与生命演化在大气中留下的线索不相符,它们甚至会带来更多的问题。

Mendez认为,寻找叶绿素超出了人类技术的极限。“在这之后,我们不得不停下来,”他说。

科学家可以继续确定遥远的行星是否宜居,不过,我们还需要几百年、甚至几千年时间,才能收集到系外行星有生命的直接证据。

宇航局的开普勒望远镜已经证认了4000多颗新行星和行星候选者,为我们提供了充足的新研究对象。不过,据旧金山州立大学的Stephen Kane说,开普勒的主要目标之一是统计类似地球大小的行星出现的频率,而并不打算把它们归类为类地行星或者地球双胞胎。Kane同时还是宇航局开普勒望远镜可宜居区工作团组的组长。他们对开普勒的观测数据进行筛选,以确定哪些可能宜居的行星应该深入研究。

“开普勒从来就不是一个负责描述的任务,”Kane说。

其它仪器将帮助我们发现类地行星。宇航局的凌星系外行星巡天卫星(Transiting

Exoplanet Survey Satellite)和欧洲空间局的描述系外行星卫星(CHaracterising ExOPlanet Satellite,简称CHEOPS)都将盯住明亮的恒星。詹姆斯·韦伯空间望远镜将把镜头拉近去观测这些巡天给出的最佳候选者,设法对它们的大气进行分类,揭示出其更多的信息。它还将直接给行星拍照,以求进一步地了解它们。欧洲空间局的柏拉图探测器(PLAnetary Transits and Oscillations of stars,简称PLATO)将主要研究那些位于类似太阳的恒星的宜居区内的类地行星。这些项目中的每一个都将帮助天文学家增进对系外行星的认识。在它们的帮助下,Kane估计科学家在本世纪20年代末或者30年代就能确找到真正的类地行星了。

 

我们的目的达到了吗?

如果科学家目前除了系外行星的个头和位置外什么都不知道,那为什么地球双胞胎、类地行星这样的称呼还会不绝于耳呢?一个原因在于名字本身——具有误导性。

 “一说到宜居区,人们自然而然地就会想到那是一个适宜居住的区域。”Kane说。

但事实并非如此,行星需要满足许多条件才能称得上是可宜居的。而其中一些条件也很容易让人误解。

 “我们不应该说类地行星,”Kasting说,“我们应该说,‘宜居区内一颗可能的岩体行星。”

1938年,美国天文学家Harlow Shapley最初把宜居区称作“液态水带”(这可能是一个更恰当的名字)。即便如此,这个名字仍会让人误认为那里的行星一定,而不是可能,有液态水。不少天文学家都认为即使换个名字恐怕也无补于事。“交流方面的问题应该通过教育公众来解决。”Mendez说。“许多用语从一开始就让人困惑。”

但是,Kane觉得这个问题还不止于此。在过去的二十年里,科学家发现了大量系外行星,引起了所谓的“系外行星疲劳症”。除非新发现的系外行星个性独特,否则它们很难引起大家的兴趣和关注。于是乎,科学家和媒体有时候可能觉得有必要掠过已知信息,而去突出不寻常的潜在特征。

与整个天文学研究相比,系外行星学是一个新兴的研究领域,并且仍在继续成长着。

 “人们想知道终极问题的答案,”Kane说。

他们想知道,除了地球,是否还有其它行星有生命,系外行星是否孕育出了文明。

不过,公众的耐心是有限的,他们只关注答案,而忽略了我们从目前发现的系外行星身上获取的知识。

“认识到它就是终极问题最好不过,顺带还能解答许多其它问题。”Kane说。

每一颗新发现的系外行星都为我们提供了机会,让我们深入理解行星(包括地球)如何形成,或者太阳系如何运作。

上图展示了最近系外行星发现中最有前途的几颗行星。显然,它们之中没有一个称得上是真正的地球双胞胎。(图片来源:NASA/AMES/JPL-CALTECH)

 

通过专门研究行星的宜居条件,Kane说,他们“在至少十年内,正在尽力做出真正的发现。”

 “总有一天,我们将找到理论模型明白地显示其适宜居住的类地行星,并测量它的大气,”Kane说,“如果到时候大家的反应是‘我们十年前不就做过了吗?‘我会很不开心的。”

Tags:系外行星 开普勒

责任编辑:champagnecat

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