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宇宙中潛在的可居住類地行星有多少?哪個才是地球的完美復制品?
2023/03/29

截至目前,在3085個行星系統中,人類已經確認了4164顆系外行星的存在。而在整個系外行星探索過程中,科學家們認為至少有32個星球都有潛在可居住性的可能,盡管目前尚未確定其中任何一顆是地球的完美復制品。尚且不談宇宙中具體有多少個星系客觀存在,僅僅是在我們最熟悉的銀河系之中,倘若按照可居住概念來進行粗略估算:

僅我們自己所在的銀河系之中,潛在可能適合生命居住的類地行星數量,就有可能處于8個到200億個的龐大數字區間。

我們會發現,每當一個巖石行星被發現,總是輕易地被貼上類地行星標簽。但這樣簡單粗暴的稱呼,往往都只是在短時間內引起大家的關注罷了。

雖然,這些系外行星的確在某個方面跟我們的地球具有一定的相似性。 但是,它們的母恒星大多都是更暗、更小且表面溫度只有2000K左右的紅矮星,而非太陽這樣表面溫度大約可達到5700K、絕對星等4.8的普通恒星(黃色G2型矮星)。

行星的宜居性與恒星質量有關,且質量小于地球的系外行星信號很微弱

簡單來說,一個類地行星是否具有宜居性,同時還取決于它自身和其母恒星的質量,因為像銀河系中普遍存在的那些紅矮星,圍繞其運行的行星基本就被排除了真正意義上的類地行星;與此同時,倘若一個可能適合生命居住的星球本身質量太小,又會因為距離和探測技術的限制而難以收集到它存在的星體信息。

行星的質量大小和過境法的搜尋范圍密切相關

比如,與我們相距大約3140光年的開普勒-160,我們之前就已經了解到:圍繞它運行的開普勒-160b和開普勒-160c沒有地外生命存在的可能,原因就是這兩顆行星不僅比地球大,還具有令普通生命無法存活的溫度環境。但是,在新的觀察中,科學家們發現開普勒-160c有輕微晃動的跡象,也就是說這個恒星系統中還有其他行星在拉扯它的運行軌道。

在之前的系外行星探索過程中,科學家們一般采取的是過境法來尋找,也就是通過行星經過恒星前方會遮擋恒星散發出的星光來確定。但是,這種方法有一個最明顯的缺陷,那就是相對來說更適用于尋找質量通常不小于地球的行星,因為,當行星的質量較小時,其移動路徑很難對恒星的光有明顯遮擋,這也是為什麼被開普勒發現的系外行星大多數都質量偏大,且往往都是與海王星相似的氣體行星,完全不同于我們熟悉的地球。

K-160&KOI-456.04是太陽&地球的完美復制品嗎?

在尋找系外行星的時候,既然過境法存在客觀缺陷,研究人員自然要想辦法解決這個問題。首先,科學家們將恒星調光變化變成了一個物理模型,他們將其稱為「過境最小二乘(TLS)算法」。從實際探測結果來看,優化之后的算法的確彌補了開普勒的選擇偏差,并找到了質量相對更小的行星,而它所在的系統就是K-160系統。

從現有結果來看,K-160系統中不止有2顆質量比地球大的行星存在,而是4顆行星在圍繞母恒星運行,只不過其中新發現的這兩顆質量較小,所以才沒有在之前的探測過程中搜尋到它的信息。原來,導致K-160c軌道出現偏離的神秘物體就是新發現的K-160d,而另外一個行星由于暫時沒有過境證據顯示,所以暫時命名為KOI-456. 04。

其實,倘若與我們生活的地球對比,新發現的KOI-456.04半徑還是達到了地球的1.9倍左右。不過,我們對它依然充滿了興趣,因為其378天的軌道運行周期與地球比較相似,再加上它的母恒星又與我們太陽存在較高相似度,這便意味著這個比地球大一號的星球所接受到的太陽能量,應該與地球接收到的日照量不相上下。

簡而言之,不同于以前我們探測到的其他系外恒星系統,有太多位于紅矮星周圍的行星無法接受到正常的太陽能量;恒星開普勒-160和圍繞其運行的行星KOI-456.04,其實與我們的地球和太陽之間的關系存在較大相似性。具體來說:

行星KOI-456.04接受到的恒星能量相當于地球的93%左右,這就意味著只要這個星球上具有溫室效應,即便該星球表面的平均溫度會比地球低出10℃左右,也不會影響其星球表面維持水的液態形態。

當然,由于KOI-456.04目前還是候選系外行星身份,所以,我們還不能正式將其稱為所謂的類地行星。但是,就機率而言,KOI-456.04真實存在的可能大約在85%的樣子,但它要正式獲取這個身份,則還需要更強大的地基望遠鏡進行觀察和確認。直至其存在機率達到了99%之后,才能將其視為一顆真正意義上的行星。

從可居住區域到類地行星,它們的概念會不會太寬泛?

相信大家都明白星球的「潛在可居住性」,并不代表生命真的就一定可以居住,這個詞的定義相當于是一個機率性定義。對于已知生命而言,星球的宜居條件之一就是大氣層濃厚,因為這是巖石行星表面得以維持液態水的基礎。

而我們平時說的可居住區域,則主要指的是行星和恒星之間的距離遠近,這代表了行星會接收到多少來自太陽的能量。

眾所周知,水是生命之源,對于地球上的所有生命來說,大家都離不開液態水的存在,所以,位于可居住范圍之內并不代表就一定適合生命居住。比如,在我們的太陽系中,已知的類地行星就有三顆,但火星大氣稀薄,金星溫室效應失控,盡管這兩個星球的古老時期可能有液態地表水存在,但如今的它們已經完全不不具備宜居性。而這一切都跟它們自身的穩定性不足有關,所以才會在過去的時間里逐漸失去了生命可能存續的基本條件。

與此同時,由于恒星的質量和類型不同,所以它們自身的穩定性,同樣也對周圍行星是否宜居有重大影響。

比如,像紅矮星這種占據了恒星75%左右的星體類型,即便行星和它們之間的距離較近也不會很熱,但由于這類恒星X射線爆發和太陽耀斑都比較常見,所以,那些原本可能比較適合居住的星球也會因此而與生命無緣。

一開始,當大家看到有消息說新發現一個系外行星是類地行星,又或是超級地球的時候,都會興沖沖的趕緊去了解情況,但現在,大家似乎已經開始對這些新消息無動于衷了。其實,這還是因為我們對類地行星的定義太寬泛,只要是位于可居住范圍之內的不少巖石行星,都被冠上了這個稱號,但其中真的跟地球相似的行星,卻至今也沒有確定一顆。

類地行星的數量從幾個到幾十個,再到之后可能出現的數百個,我們開始越來越覺得類地球這個詞變得不準確,因為它們與地球之間的相似之處還是太少。僅僅是該系外星系是一顆巖石行星,再加上其距離決定接收到的能量,與地球從太陽那里獲取的幾乎相等,這些條件還遠遠不能說明它是一顆類似于地球的行星。

年輕的類地行星更容易被搜尋到,為什麼人類急于尋找下一個地球?

從行星的演化歷程來看,早期地球在剛形成的時候,由于長期遭受外部撞擊便形成了早已不復存在的巖漿海洋,而當時的地球也因為這樣的現實情況一再升溫,但這樣堪稱災難的過程卻讓地球成為了最初的巖漿行星。

簡而言之,原本不適合生命居住的地球,因為碰撞有了巖漿海洋,增加了自身的質量,為它成為宜居星球奠定了基礎,而這樣的早期地球就是科學家們口中的巖漿海洋行星。

當我們在進行此類行星探測的時候,高溫就是他們最典型的特征,而此類行星的母恒星往往質量都處于普通恒星質量的兩倍左右。所以,當它們發出自己的光芒時,便可以通過下一代紅外望遠鏡進行觀測。研究人員表示,只有當恒星和行星的關系和類型確定了之后,我們才有可能在這些恒星的周圍發現真正意義上的宜居類地行星。

毫無疑問,不管是地球目前的宜居環境,還是星球上現存的萬千生命,大家都不是跟星球的形成一起誕生,早期地球同樣不適合任何生命繁衍生息。

不同于大部分天文愛好者對系外行星、地外生命,乃至地外文明的好奇,也會有人說,大家在地球上生活的好好,干嘛沒事去尋找什麼下一個地球?要知道,我們的地球已經發生過5次生物大滅絕事件,更不用說小冰河期。但我們除了挖掘出了一些動物化石,確定了每次大滅絕涉及到的是哪些生物類型之外,還有很多關于生物滅絕的其他謎團都沒有解開。

從地球自身環境變化來說,隨著全球氣候變暖,地球的宜居性已明顯大不如前,不管是高溫和干旱這樣的極端天氣,還是洪水等自然災害,都更普遍的發生在世界各地。我們可以看到,每年都有物種從地球上消失,冰川面積因為融化變得越來越小,就連人類自身面臨的生存考驗也大過從前。所以,不管是出于人類與生俱來的探索欲望,還是對地球生命存活和延續的保障,人類尋找下一個地球都是不可或缺的一件事。 

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