是什么讓外星世界適合居??？新的工具和建模軟件正在提供線索。
不到一個月前，科學(xué)家們宣布，在距地球110光年的一顆系外行星K2-18b的大氣層中發(fā)現(xiàn)了水蒸氣。至關(guān)重要的是，這顆行星位于其恒星的“適居帶”(該恒星周圍的區(qū)域溫度適宜，適宜液態(tài)水存在)。但是這個短語的使用是有爭議的。盡管人類肯定不能在K2-18b上生存，但專家們對是否能在那里發(fā)現(xiàn)某種形式的極端微生物生命卻沒有達(dá)成一致。它可能在“適居帶”，但沒人能同意K2-18b是否真的“適居”。
這種分歧的部分原因是我們對K2-18b是什么星球沒有達(dá)成共識，但也因為有許多不同的方式來定義宜居性。一些科學(xué)家認(rèn)為巖石表面是必不可少的。另一些人認(rèn)為，微生物可能會找到一種方式在空氣中生存，就像細(xì)菌在風(fēng)中飛揚(yáng)。一些人想要厚而溫暖的表面的證據(jù)，而另一些人則不確定這是否有必要。
這些都不足為奇。適居性是一個模糊的術(shù)語。如果你讓一百位科學(xué)家來定義是什么讓一個星球適合居住，你會得到一百個不同的答案。
華盛頓大學(xué)虛擬行星實驗室(Virtual Planet Laboratory)的天文學(xué)家和天體生物學(xué)家羅里·巴恩斯(Rory Barnes)說，“很多討論都是由已知的情況和我們實際擁有的模擬行星的技術(shù)驅(qū)動的。
直到最近，我們甚至不知道太陽系外的行星是否普遍存在。天文學(xué)家有一些零星的發(fā)現(xiàn)，但直到2009年NASA的開普勒太空望遠(yuǎn)鏡啟用后，事情才有了進(jìn)展。開普勒太空望遠(yuǎn)鏡提供了一種更清晰的方法來識別在其恒星前方凌日的行星。
這些觀測得到的數(shù)據(jù)仍極為有限。例如，在2007年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了Gliese 581c，這是第一顆既由巖石構(gòu)成又位于宜居帶內(nèi)的系外行星。巴恩斯說：“在那個時候，這是人們必須要考慮的兩個要求，如果符合才值得繼續(xù)關(guān)注。”
正如我們所知，水對生命是必不可少的，所以，一方面，這是縮小哪些新的世界應(yīng)該引起我們注意的第一步，非常有用。另一方面，它忽略了生命的其他需求，如碳源、能量源和必需營養(yǎng)素。
沒有這些東西的行星幾乎和冥王星一樣不適合居住。此外，一顆行星不需要居住在宜居帶才能居住。木星的衛(wèi)星木衛(wèi)二、土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六和土衛(wèi)二就是引起天體生物學(xué)家興趣的可能的“海洋世界”的幾個例子，盡管它們遠(yuǎn)在太陽的宜居帶之外。
部分問題在于我們不恰當(dāng)?shù)貙⑦@些研究與其他科學(xué)隔離開來?！拔铱偸歉嬖V天文學(xué)家，如果你想知道什么是宜居性，就去研究生物學(xué)，”美國波多黎各大學(xué)阿雷西博分校行星宜居實驗室主任、行星天體生物學(xué)家阿貝爾·門德斯(Abel Mendez)說。許多人擔(dān)心，天文學(xué)家將生物學(xué)和氣候科學(xué)的經(jīng)驗應(yīng)用于外星世界是不恰當(dāng)?shù)?，而這正是造成如此多此類爭論的原因。
相反，“過于以地球為中心是危險的，”巴恩斯說?！拔覀兞私獾厍蚴侨绾芜\(yùn)作的，可能會自欺欺人地認(rèn)為某些特征是生命的必備標(biāo)志，從而否定生命存在的可能性。“生命可能存在于土衛(wèi)六、木衛(wèi)二，甚至金星上，但我們還沒有準(zhǔn)備好去發(fā)現(xiàn)它們。
改進(jìn)我們的方法意味著我們需要在不同的科學(xué)領(lǐng)域之間更好地交換學(xué)習(xí)和互通數(shù)據(jù)。這就不得不說到虛擬行星實驗室，該實驗室成立于2001年，旨在了解宜居行星是如何形成和進(jìn)化的，以及我們?nèi)绾卧谝粋€真正的系外行星上觀察這一過程。實驗室的人員包括氣候科學(xué)家、大氣研究人員、計算機(jī)科學(xué)家、生物學(xué)家、地球物理學(xué)家和天文學(xué)家，他們反映了行星科學(xué)應(yīng)該追求的多學(xué)科方法。
該實驗室最近推出了VPLanet，這是一款開放的軟件，可以模擬一顆行星在數(shù)十億年間的演化過程，主要(但不完全)用于評估這顆行星是否存在或曾經(jīng)存在潛在的宜居空間，以及它的表面是否有液態(tài)水。
VPLanet的模型考慮了一系列不同的動力學(xué)，包括內(nèi)部和地質(zhì)過程、磁場演化、氣候、大氣逃逸、旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、潮汐力、軌道、恒星形成和進(jìn)化、不尋常的條件，如雙星系統(tǒng)，以及來自經(jīng)過的天體的引力擾動。其他研究人員可以編寫新的模塊來模擬其他物理過程并將其插入軟件中。
像VPLanet這樣的工具是為了幫助縮小哪些適居帶行星(以及其他好的候選行星)是最值得深入研究的，值得利用現(xiàn)有的儀器和即將上線的新儀器去深入發(fā)現(xiàn)。但其試圖描述一個行星的歷史，可能也會促使我們?nèi)パ芯恳恍┩ǔ雎圆挥嫷南低庑行?。我們以往認(rèn)為地球的歷史是一場瘋狂的進(jìn)化之旅。但巴恩斯認(rèn)為，與正在識別的許多其他系外行星的經(jīng)歷相比，我們地球的歷史可以說是平淡無奇。
“對于像Proxima b這樣的低質(zhì)量恒星，它們可能經(jīng)歷了相當(dāng)大的進(jìn)化，”巴恩斯說。它們的宿主恒星的光度衰減得更快，釋放出更多對大氣有害的高輻射，還會對軌道行星產(chǎn)生更多的潮汐效應(yīng)——這些事情可能會極大地顛覆一顆行星能否維持生命的演算。
其他模型可以幫助我們認(rèn)識到可能促進(jìn)或阻礙生命的動力。一些人在氣候科學(xué)的基礎(chǔ)上修正了可居住帶的界限。奧爾森最近與人合寫了一篇論文，探討了什么樣的海洋動態(tài)可能對培育有利于生命的營養(yǎng)循環(huán)至關(guān)重要。她認(rèn)為，僅僅海洋的存在并不能確定一個新的世界是否適合居住。例如，如果沒有足夠的旋轉(zhuǎn)力或厚厚的大氣層，海洋在增加宜居性方面就沒有意義。
“我們最終需要的是在這些類型的模型中改進(jìn)生物學(xué)的表現(xiàn)，”O(jiān)lson說?！吧飳W(xué)家、氣候科學(xué)家、天文學(xué)家都有他們的各自的模型。我們需要找到耦合數(shù)據(jù)的方法。”
但模型只是一部分。我們還需要更好地觀察這些世界。我們想知道一顆行星是否有一個由對生命很重要的元素組成的厚厚的大氣層。我們希望尋找由生物過程產(chǎn)生的甲烷等生物特征的存在。像美國宇航局的哈勃和開普勒太空望遠(yuǎn)鏡這樣的儀器已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的影響，但是它們的能力已經(jīng)達(dá)到了極限(開普勒去年退休了，哈勃也已經(jīng)奄奄一息)。
哈勃的繼任者，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，將推動我們對這些系外行星的理解達(dá)到新的高度。它無與倫比的光學(xué)性能和用紅外進(jìn)行無與倫比的觀測的能力意味著它應(yīng)該能夠毫不費(fèi)力地描述遙遠(yuǎn)系外行星的大氣層特征。歐空局的ARIEL太空望遠(yuǎn)鏡將于2029年發(fā)射，它是專門用來觀察系外行星大氣的化學(xué)和熱結(jié)構(gòu)的。
門德茲還認(rèn)為，當(dāng)我們考慮到可居住性時，比如無線電輻射、燈光或工業(yè)生產(chǎn)中的化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)行技術(shù)信號的檢測是明智的。他說：“還有其他方法可以觀察一個系統(tǒng)，并發(fā)現(xiàn)一些生命跡象。”
然而事實是，“判斷一個地方是否適合居住的唯一方法不是測量這些不同的變量——而是尋找生命，”門德斯說。在生物學(xué)中，這是最后的答案。沒有別的辦法了。除此之外，一切都只是一個近似值——對潛在宜居性的評估。所以現(xiàn)在，爭論還將繼續(xù)。
