互动科普

宇宙中有许多与地球非常不同的星球，这些星球可能是最好的生命家园。

因为地球上的人们只知道一个有生命的世界，也就是我们的地球，因此把地球作为寻找系外生命的模版，似乎也无可厚非。比如科学家试图在最接近地球环境的火星、木星的含水卫星木卫二（Europa）上寻找生命。不过现在，天文学家发现了一些围绕其他恒星旋转的、可能具备宜居性的系外行星，这些发现正逐渐改变着以地球为模板寻找宜居星球的思想。

过去的20年里，天文学家发现了1 800多颗系外行星。统计研究显示，我们的银河系中至少有一千亿颗系外行星。迄今为止发现的系外行星中，与地球非常相似的非常少，这些行星展示出了一系列的行星多样性：它们的公转轨道、半径尺寸、组成成分都有着巨大的差异，它们围绕的恒星也千差万别，有的比太阳小很多也暗很多。这些系外行星的多样性特征提醒我，也提醒了其研究人员，地球可能并不在宜居星球排行榜靠前的位置。事实上，一些和地球非常不同的系外行星，可能有更高的几率形成并维持一个稳定的生物圈。这些“超宜居星球”是搜索地外和系外生命的最佳目标。

不完美的地球

地球的确拥有许多特性，乍看之下，这些特性似乎为生命存在提供了理想的环境。地球围绕着一颗平静的、中等年龄的恒星运行，这颗恒星稳定地照耀着地球已达数十亿年之久，这给了地球足够的时间产生生命，并且让生命有充足的时间进化。地球有充盈的生命之源——海洋，这主要归功于地球的轨道处在太阳的宜居带中。宜居带是一片狭窄的区域，在这一区域，太阳光既不太强，也不太弱。如果行星位于宜居带以里的区域，行星上的水会被煮沸蒸干；如果在宜居带以外，行星则会变成莽莽冰原。地球的大小对生命也十分适宜：它的尺寸很大，产生的引力场足够吸引住大气层，但又不会太大，所以大气层不会变得太厚，成为令人窒息的幕障。地球的尺寸和它的岩石成分也给生命居住提供了便利，比如存在地壳运动从而可以调节气候，存在磁场从而保护生物圈免受宇宙射线的伤害。

不过，随着越来越深入地研究地球的宜居性，科学家渐渐发现，我们的世界也并非那么理想。今天的地球上，不同地区的宜居性也有着天壤之别。在广袤的地球表面区域，很大一部分都是不毛之地，如干旱的沙漠、贫瘠的开放海域和严寒的两极。地球的宜居性也在随时间变化，例如在石炭纪（Carboniferous period）的大部分时期，也就是大约3.5至3亿年前，地球的大气比现在更温暖、更湿润，而且含氧量也要多于今天。海洋中的甲壳纲动物、鱼类和造礁珊瑚十分兴盛，陆地上覆盖着大片大片的森林，昆虫和其他陆生生物的体型十分庞大。地球在石炭纪时供养的生物量，比今天要多得多，这说明比起其远古时期，现在地球的宜居性，已经差了很多。

不仅如此，我们还知道在未来，地球将变得更加不适合生命。大约50亿年后，太阳的氢燃料将消耗殆尽，并在核心开始能量更高的氦聚变过程。那时太阳会膨胀成一颗“红巨星”，将地球烤焦。在发生这一悲剧很早之前，地球上的生命就已经走到了尽头。随着太阳内的氢逐渐被消耗，太阳核心的温度会逐渐升高。这使得太阳总光度（luminosity，单位时间内辐射出的总能量）逐渐增加，每10亿年大概会增加10%。这种改变意味着，太阳系的宜居带并非恒定不动，而是会发生变化。随着时间的推移，宜居带距离不断变亮的恒星越来越远，总有一天，地球将不再处于宜居带内。更糟糕的是，最新的计算显示，目前地球并非位于宜居带的中心位置，而是临近内边缘，接近过热区，地球位置岌岌可危（见“当太阳变老时”）。

因此，在5亿年之内，太阳的光度将增加一定程度，使地球的气候变得极度炎热，从而威胁到复杂多细胞生物的生存。大约17.5亿年之后，光度稳定增加的太阳将令地球继续升温，海洋开始蒸发，那些在陆地上“苟延残喘”的简单生物也将灭绝。事实上，现在的地球已经度过了它的宜居黄金时代，生物圈也即将面临“曲终人散”的结局。总体而言，现在的地球作为宜居星球，只能是刚刚够格。

寻找超宜居星球

2012年，在研究气态巨行星的大质量卫星的宜居性时，我第一次开始思考，一个更适宜生命生存的世界会是什么样子？在太阳系中，最大的卫星是木星的木卫三（Ganymede），它的质量只有地球的2.5％，这么的小质量，无法像地球那样保持住大气层。不过我意识到，在其他行星系统里，卫星具有地球那么大的质量是可能的，这些卫星位于巨型星周围的宜居带内，因此可以拥有与地球类似的大气层。

这些大质量的“系外卫星”可能是超宜居星球，因为它们可以给星球上可能存在的生物圈，提供更多样化的能量来源。地球上的生物基本依靠太阳光，与地球生物不同的是，超宜居系外卫星的生物圈还可以从它旁边的巨行星辐射或反射光中获得能量，甚至从巨行星的引力场中获取能量。当卫星围绕巨行星旋转时，潮汐力会把卫星的壳层反复弯曲，产生的摩擦力将从内部加热卫星。科学家认为木卫二和土卫六（Enceladus）上存在次表层海洋（subsurface ocean），这种潮汐加热现象或许就是次表层海洋产生的原因。对大质量的系外卫星来说，能量的多样化可能是把双刃剑，因为多种能量重叠在一起，微小的不平衡，就能轻易让那个世界变得不再宜居。

不过宜居也好，不宜居也罢，到目前为止研究人员还没有发现系外卫星的确凿证据。不过或许它们的身影已经被诸如NASA的开普勒望远镜之类的观测项目记录在案了，可能早晚会被发现。目前的情况是，对这些系外卫星的存在和宜居性的讨论，都还只是推测。

另一方面，在已经确认和疑似系外行星的列表里，或许就有超宜居行星。在上世纪90年代中期，研究人员发现了第一批系外行星，它们全部是质量接近木星的气态巨行星，而且距离它们的恒星非常近，不可能有生命存在。不过随着时间的变化，行星搜索技术有了很大的提高，天文学家逐渐找到一些更小的、运行轨道更远、更温和的行星。近些年发现的大部分行星都是所谓的超级地球（super-Earth），它们都比地球重，但不超过地球质量的10倍，它们的轨道半径介于地球和海王星之间。事实证明，在其他恒星系中，这类行星非常普遍，但是在太阳系中却没有这样的行星，这使得太阳系看起来有点另类。

很多更大、更重的超级地球，它们的半径尺寸可能暗示着，这些超级地球上存在厚重的大气层，所以这些超级地球更像“小号的海王星”而非“大号的地球”。不过对于那些更小的、半径是地球两倍左右的行星，其构成也许和地球类似，包含铁元素以及岩石，如果它们的轨道恰好位于宜居带，那行星表面也许还有大量的液态水。我们现在知道的很多可能的岩态超级地球，都是围绕着所谓的M型和K型矮星旋转，这些恒星比太阳更小更暗，也更加长寿。我和合作者——韦伯州立大学的物理学家约翰·阿姆斯特朗（John Armstrong）最近开展了模拟工作，结果显示，从某种程度上说，正是因为轨道中心的恒星较小，超级地球更适宜生命存在，被认为是超宜居星球最有力的候选者。

长寿的益处

我们的工作基于这样一种认识：一颗长寿的恒星，是行星具备超宜居特性最重要的基础。毕竟恒星死去后，行星的生物圈就无法生存了。太阳已经46亿岁了，大约到了它预估寿命100亿年的一半。如果它稍稍小一点，就会变成一颗更长寿的K型矮星。与大质量恒星相比，K型矮星的燃料更少，但是它们的燃料燃烧效率更高，因此寿命更长。我们现在观测到的中年K型矮星，比太阳要老数十亿年，在太阳“死亡”之后，它们还将继续燃烧数十亿年之久。如果K型矮星的行星上存在生物圈，这些生物圈的进化时间将更长，生物多样性也更加丰富。

K型矮星的光看起来比太阳光更红，因为它的整个光谱更偏向红外光区。即使如此，它的光谱范围还是可以为行星表面植物的光合作用提供能量。M型矮星更小，燃烧也更缓慢，寿命可达千亿年。不过由于M型矮星的光太暗，它们的宜居带非常靠内，这可能会让行星处于强烈的恒星耀斑或其他危险之下。综合以上两点，K型矮星既有长寿的优势，又没有M型矮星因为过暗带来的危险，看起来是最有可能出现超宜居星球的地方。

现在，在一些长寿恒星的系统中，可能存在岩态的超级地球，这些超级地球的寿命比太阳系还要老数十亿年。也许在太阳系尚未形成之前，在这些行星系统中就已经有生命出现了。当年轻地球上的原始汤（primordial soup）中出现第一个生物分子时，那些超宜居世界中的生物，也许已经繁衍生息数十亿年之久了。

此外，在远古世纪产生的生物圈，可能会对其所生存的超级地球环境，起到进一步改善的作用，从而提高超级地球的宜居性，就如同地球上的生物圈所做的那样，这一可能性令我分外着迷。一个有代表性的例子是发生在24亿年前的大氧化事件（Great Oxygenation Event），那时地球大气中第一次积聚起大量的氧气。这些氧气可能来自于海洋中的藻类。富含氧气的大气，最终使得生物的新陈代谢水平朝着能耗更高的方向进化，这使得生物的体型逐渐变大，寿命更长，并且更有活力。这些进化对生物生存领域的转变——生物由海洋逐渐向陆地移居——至关重要。如果其他行星的生物圈对其生存的环境，也表现出类似的改善作用，那我们或许可以期待，那些围绕长寿恒星的行星，会随着年龄的增加而变得越来越宜居。

要想成为超宜居星球，那些围绕着体积更小、寿命更长的恒星旋转的行星，质量必须比地球的质量更大。因为随着行星变老，极有可能经历两次灾难，而更大的质量可能会避免这两次灾难的发生。如果我们的地球围绕着一个小体型的K型矮星旋转并处于宜居带内，在中心恒星熄灭很早之前，行星的内部就已经冷却下来，行星的宜居性就会被破坏。例如，行星内部的热量驱动了火山爆发和板块构造运动，这些过程会向大气重新释放、补充大气中的温室气体——二氧化碳。降雨会将二氧化碳从空气中冲洗出来，逐渐沉积到岩层之中，如果没有这些过程的话，行星大气中的二氧化碳就会随着降雨过程持续地下降。最终，依靠二氧化碳来维持的全球温室效应就会慢慢消失，到那时，与地球类似的行星的表面的水会全部结成冰，完全变为一个不适合居住的“冰雪王国”。

除了可能会破坏温室效应外，一个老去的岩态行星，其逐渐冷却的内部也会使有防护作用的磁场崩溃。地球的内部有环流的熔融铁浆，流动的融浆通过类似发电机的原理产生了磁场，磁场就像地球的防护盾。行星形成时剩下的热量，以及放射性同位素衰变产生的热量，使行星的内核保持液态。一旦岩态行星的内部热量耗尽，它的核心就会变成固态，行星的“发电机”就会停止运转，磁场也随之消失。失去磁场的保护，宇宙射线和恒星耀斑就会长驱直入，侵蚀大气层的外层，并危害到行星表面。所以，那些年老的类地行星的大气层，可能有很大一部分逃逸到了太空中，更高强度的有害辐射会危及行星表面的生命。

体积是地球两倍的岩态超级地球，就没那么容易因为衰老而遭受各种灾难，因为它们的体积明显更大，内部的热量就能保存得更久。但如果行星质量超过3～5倍的地球质量，也会产生其他问题，比如妨碍板块构造活动，因为行星质量过大，会造成地幔的压力和阻力变得非常大，星球必需的散热过程就会受阻。一个质量只有地球两倍的岩态行星，板块构造运动还可以进行，而且这类行星能将其地质活动与磁场维持更长时间——比地球长数十亿年。这样一个行星，其直径大约比地球大25%，因此能够给生命提供比地球多56%的生存表面积。

超级地球上的生命

超宜居星球看起来会是什么样的？对于一个中等大小的超级地球，其表面引力比地球更强，因此拥有的大气层会比地球更厚，其表面的山峰受到气候侵蚀的速度也更快。换言之，这样一个行星会有相对更浓厚的空气和更平坦的地貌。如果超级地球上有海洋的话，平坦的地貌会让海水形成大量的浅海，浅海中点缀着很多岛链，而不是像地球这样，浩渺的深海，存在着几块超大的陆地（见“超级地球更宜居”）。在地球上，海洋生物的多样性最多的地方，是靠近海岸线的浅海中，因此对生物而言，超级地球这样一个“群岛世界”可能有着巨大的优势。在独立的海岛生态系统里，生物的进化过程可能会更快，这可能会促进生物多样性的形成。

当然，由于超级地球上缺乏大陆，对陆地生物而言，这种群岛地貌所能提供的陆地面积，会比地球更少，这也许会降低星球的宜居性。不过结论也不一定。地球上的陆地较大，温暖湿润的海风无法吹到陆地的中心区域，因此这些中心区域很容易形成贫瘠的沙漠。此外，一个行星上宜居区域的面积，会受到其自转倾角（行星的自转轴相对于行星公转轨道平面的倾斜角度）的显著影响。例如，地球的自转倾角是23.4度，这造成了四季轮替，也使酷热赤道和寒冷极地的温度差异，不会那么极端。与地球相比，一个有着合适自转倾角的群岛星球，可能有温暖的赤道，同时也有不结冰的温暖两极。并且由于这类星球拥有更大的尺寸和更大的表面积，比起地球的大陆地表，它们能提供更多的适宜生命居住的土地。

把所有这些影响星球宜居性的星球特性综合到一起，我们可以想象，一个超宜居星球应该比地球略大，围绕着一颗体积比太阳略小、光线比太阳略暗的宿主恒星旋转。如果以上结论正确的话，这一结论对天文学家将是个极大的鼓舞。因为在茫茫星海之中，比起寻找与“地球－太阳”类似的体系，那些围绕着小质量恒星旋转的超级地球，更容易探测和研究。迄今为止的系外行星搜索显示，小质量恒星周围的超级地球，要远比“地球－太阳”这种体系多得多，它们的身影遍布银河系。可供天文学家寻找生命的星球，要远比之前认为的多。

说到这里，我要提一下开普勒卫星的一个重要发现：开普勒-186f，2014年4月，研究人员宣布发现了这颗行星。它的直径比地球大11%，可能由岩石构成，位于一颗M型矮星的宜居带中。它的年龄也许有几十亿年，可能比地球还要老。这颗行星距离我们有500光年，以目前和未来一段时间的观测技术水平来看，我们难以对它的宜居性作出更好的判断。不过从目前我们已知的信息来看，它很有可能是一颗超宜居的群岛星球。

许多类似的项目，也许很快就能发现那些距离更近、围绕着近邻小恒星旋转的超宜居行星，其中最著名的是欧洲空间局计划于2024年开展的柏拉图（PLATO，Planetary Transits and Oscillations of stars的缩写）任务。计划于2018年升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）观测项目，主要搜寻目标就是这些临近的行星系统。该项目将从几个可能是超宜居性星球的大气中，寻找生命存在的蛛丝马迹。如果运气足够好，我们可能会在不远的将来，指着天空中的某个地方说，那里有一个更完美的世界。