美國宇航局和其他太空機(jī)構(gòu)對太陽系外行星研究領(lǐng)域寄予厚望。在過去的十年里，已知的系外行星的數(shù)量已接近4000顆，一旦下一代望遠(yuǎn)鏡投入使用，預(yù)計(jì)還會發(fā)現(xiàn)更多的系外行星。由于有如此多的系外行星需要研究，研究目標(biāo)已經(jīng)慢慢地從發(fā)現(xiàn)過程轉(zhuǎn)向分析測定。
不幸的是，科學(xué)家們?nèi)匀槐贿@樣一個(gè)事實(shí)所困擾，那就是我們所認(rèn)為的“宜居地帶”受到很多假設(shè)的影響。針對這一問題，一個(gè)國際研究小組最近發(fā)表了一篇論文，他們在論文中指出，未來的系外行星調(diào)查可以超越地球模擬的例子，作為可居住性的指標(biāo)，并采取一種更全面的方法。
這篇題為“宜居帶預(yù)測和如何測試它們”的論文最近在網(wǎng)上發(fā)表，并作為白皮書提交給了《2020年天文與天體物理學(xué)十年調(diào)查》。背后的小組由地球生命科學(xué)研究所(ELSI)和空間科學(xué)研究所(SSI)的研究員拉姆西斯·M·拉米雷斯（Ramses M.Ramirez）領(lǐng)導(dǎo)的，有來自23所大學(xué)和機(jī)構(gòu)的研究人員。
十年調(diào)查的目的是考慮以前在各個(gè)研究領(lǐng)域取得的進(jìn)展，并確定今后十年的優(yōu)先事項(xiàng)。因此，這項(xiàng)調(diào)查為美國航天局、國家空間基金會(NSF)和能源部規(guī)劃其未來的天文學(xué)和天體物理學(xué)研究目標(biāo)提供了重要的指導(dǎo)。
目前，許多這些目標(biāo)集中在系外行星的研究上，這將在未來幾年受益于詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡(JWST)和廣域紅外空間望遠(yuǎn)鏡(WFIRST)等下一代望遠(yuǎn)鏡的部署，以及超大型望遠(yuǎn)鏡(ELT)、30米望遠(yuǎn)鏡、和巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡(GMT)。
太陽系外行星研究的首要任務(wù)之一是尋找有可能存在地外生命的行星。在這方面，科學(xué)家根據(jù)行星是否在其恒星的宜居帶(HZ)內(nèi)運(yùn)行，將行星指定為“潛在可居住的”(因此值得后續(xù)觀察)。因此，謹(jǐn)慎的做法是看一看定義宜居帶的含義。
正如拉姆西斯和他的同事在他們的論文中指出的那樣，關(guān)于外行星可居住性的一個(gè)主要問題是所作的假設(shè)的水平。為了將其分解，大多數(shù)氫氮化合物的定義都假定表面存在水，因?yàn)檫@是目前已知的唯一種宿主生命的溶劑。這些相同的定義假定生命需要一顆巖石行星，它的構(gòu)造活動圍繞著一顆明亮而溫暖的恒星運(yùn)行。
環(huán)繞恒星的“金發(fā)帶”是一顆行星既不太熱也不太冷以能夠支撐液態(tài)水的區(qū)域
然而，最近的研究對其中的許多假設(shè)提出了質(zhì)疑。這些研究包括，大氣中的氧并不意味著生命的存在，尤其是如果氧是化學(xué)分解而不是光合作用的結(jié)果。其他研究表明，在行星演化的早期階段，氧氣的存在如何能夠阻止基本生命形式的出現(xiàn)。
此外，最近的一些研究表明，板塊構(gòu)造可能不是生命出現(xiàn)的必要條件，所謂的“水世界”可能無法支撐生命。最重要的是，理論研究表明，生命可以在其他天體上的甲烷或氨的海洋中進(jìn)化。
這里的關(guān)鍵例子是土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六，它擁有一個(gè)富含生命起源以前的條件和有機(jī)化學(xué)的環(huán)境，一些科學(xué)家認(rèn)為這可以支持奇異的生命形式。最后，科學(xué)家們尋找已知的生物標(biāo)記物，如水和二氧化碳，因?yàn)樗鼈兣c地球上的生命有關(guān)，這是唯一已知的有生命的行星的例子。
但是，正如拉米雷斯解釋的那樣，這種心態(tài)(地球類似物被認(rèn)為適合生命的心態(tài))仍然充滿問題：
“經(jīng)典的宜居帶定義是有缺陷的，因?yàn)樗臉?gòu)造主要是基于以地球?yàn)橹行牡臍夂驅(qū)W論點(diǎn)，這些論點(diǎn)可能適用于也可能不適用于其他可能適合居住的行星。例如，它假設(shè)在可居住帶外緣附近的潛在可居住行星上可以支持CO2大氣。然而，如此高的二氧化碳水平對地球上的動植物是有毒的，因此，如果不能更好地理解生命的極限，我們就不知道這一假設(shè)的合理性。
開普勒62f系外行星需要一個(gè)富含二氧化碳的大氣層才能使水變成液態(tài)
經(jīng)典的宜居帶還假設(shè)CO2和H2O是維持潛在宜居行星的關(guān)鍵溫室氣體，但近年來的幾項(xiàng)研究使用不同的溫室氣體組合制定了替代的宜居帶定義，包括那些雖然在地球上相對較小，但對其他潛在宜居行星可能很重要的定義。
在先前的一項(xiàng)研究中，拉米雷斯博士證明了甲烷和氫氣的存在也可以引起合適的宜居帶，從而在某種程度上擴(kuò)展了經(jīng)典的宜居帶。就在一年前，他和麗莎·卡爾特內(nèi)格（Lisa Kaltenegger）(康奈爾大學(xué)卡爾薩根研究所的副教授)發(fā)表了一項(xiàng)研究，表明火山活動(向大氣中釋放氫氣)也可以延長恒星的宜居帶。
幸運(yùn)的是，由于下一代望遠(yuǎn)鏡的部署，這些定義將有機(jī)會被測試。科學(xué)家們不僅能夠檢驗(yàn)一些長期存在的假設(shè)，這些假設(shè)是宜居帶的基礎(chǔ)，他們將能夠比較不同的解釋。根據(jù)拉米雷斯博士的說法，一個(gè)很好的例子是，CO2氣體的水平取決于行星與其恒星的距離：
“下一代望遠(yuǎn)鏡可以通過搜尋大氣中二氧化碳壓力的預(yù)測增加來測試可居住區(qū)域，這些可能適合居住的行星離他們的恒星更遠(yuǎn)。這也將檢驗(yàn)碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)是否是一個(gè)普遍的過程。許多人認(rèn)為，碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)使我們的星球在歷史上大部分時(shí)間都是適宜居住的。”
水世界行星想象圖。一項(xiàng)新的研究表明，當(dāng)涉及到行星時(shí)，大多數(shù)適合居住的行星可能有超過90%的海洋。
在這一過程中，硅質(zhì)巖通過風(fēng)化和侵蝕轉(zhuǎn)化為碳質(zhì)巖石，而碳質(zhì)巖石通過火山和地質(zhì)活動轉(zhuǎn)化為硅質(zhì)巖。這一循環(huán)確保了地球大氣層的長期穩(wěn)定，使二氧化碳水平長期保持不變。它還說明了水和板塊構(gòu)造對我們所知的生命是多么重要。
然而，這種循環(huán)只能存在于有陸地的行星上，這實(shí)際上排除了“水世界”。這些系外行星，可能在M型(紅矮星)恒星周圍很常見，被認(rèn)為水的質(zhì)量占總質(zhì)量的50%。由于有這么多的水在它們的表面，“水世界”很可能在它們的核幔邊界上有密集的冰層，從而阻止了熱液活動。
但是正如已經(jīng)注意到的，有一些研究表明這些行星仍然可以居住。雖然豐富的水會阻止巖石吸收二氧化碳，抑制火山活動，但模擬表明，這些行星仍然可以在大氣和海洋之間循環(huán)碳，從而保持氣候穩(wěn)定。
拉米雷斯博士說，如果存在這些類型的海洋世界，科學(xué)家們可以通過它們較低的行星密度和高壓大氣來探測它們。還有各種溫室氣體的問題，這些氣體并不總是表示行星大氣層變暖，這取決于恒星的類型。
天狼星A(主序A型恒星)和天狼星B(白矮星伴星)的想象圖
“雖然甲烷使我們的星球變暖，但我們發(fā)現(xiàn)甲烷實(shí)際上冷卻了環(huán)繞紅矮星運(yùn)行的宜居帶行星的表面！如果是這樣的話，這些行星上高濃度的大氣甲烷可能意味著可能不適合居住的冰凍環(huán)境。我們將能夠在行星光譜中觀察到這一點(diǎn)?！?/p>
說到紅矮星，關(guān)于圍繞這些恒星運(yùn)行的行星是否能夠維持大氣層的問題，爭論十分激烈。在過去的幾年里，已經(jīng)有多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)表明，巖石和潮汐鎖定的行星在紅矮星周圍是很常見的，而且它們在各自恒星的宜居帶內(nèi)運(yùn)行。
然而，隨后的研究證實(shí)了這一理論，即紅矮星的不穩(wěn)定性很可能導(dǎo)致恒星耀斑，使任何圍繞紅矮星運(yùn)行的行星都失去了它們的大氣層。最后，拉米雷斯和他的同事們提出了一種可能性，即在被認(rèn)為是不可能的候選行星的軌道上發(fā)現(xiàn)可居住的行星。
這些將是主要的序列類型-A類恒星-如天狼星A、牛郎星和織女星，被認(rèn)為太亮和太熱而不適合居住。拉米雷斯博士對這種可能性解釋說：
“我還感興趣的是，在圍繞A類恒星運(yùn)行的宜居帶行星上是否存在生命。目前還沒有很多已發(fā)表的關(guān)于A類恒星的行星適居性的評估，但一些下一代的架構(gòu)計(jì)劃將對它們進(jìn)行觀察。我們很快就會了解到更多關(guān)于A類恒星對生命的適宜性。”
類地系外行星的概念圖，根據(jù)新的研究，這需要在水和陸地之間達(dá)成謹(jǐn)慎的平衡
最終，像這樣質(zhì)疑“宜居區(qū)”定義的研究，將在下一代任務(wù)中的科學(xué)行動時(shí)派上用場。有了更高的分辨率和更靈敏的儀器，他們將能夠測試和驗(yàn)證許多科學(xué)家已經(jīng)作出的預(yù)測。
這些測試也將證實(shí)，生命是否只有在我們所知的情況下才能存在，或者是否超出了我們認(rèn)為的“類地球”的參數(shù)。但是正如拉米雷斯補(bǔ)充說的那樣，他和他的同事進(jìn)行的這項(xiàng)研究也強(qiáng)調(diào)了我們繼續(xù)投資于先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)是多么重要：
“我們的報(bào)告還強(qiáng)調(diào)繼續(xù)投資先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的重要性。如果我們想最大限度地增加我們發(fā)現(xiàn)生命的機(jī)會，我們需要能夠找到和分析盡可能多的宜居帶行星。然而，我也希望我們的論文能激勵(lì)人們在未來10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)夢想。我真的相信，最終將會有比我們目前設(shè)計(jì)的任何任務(wù)都更有能力的任務(wù)。我們目前的努力只是我們物種更加堅(jiān)定的努力的開始。”
