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行星适居性

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地球的环境是研究行星适居性的重要参考资料,因为地球是已知的惟一有生命存在的星体。

行星适居性天文学里对星体生命的出现与繁衍潜力的评估指标,其可以适用于行星及行星的天然卫星

生命的必要条件是能量来源(通常是太阳能但并不全然)。但通常是当其他众多条件,如该行星的地球物理学地球化学天体物理学的条件成熟后,方会称该行星为适合生命居住的。外星生命的存在仍是未知之数,行星适居性是以太阳系及地球的环境推测其他星体是否会适合生命居住。行星适居性较高的星体通常是那些拥有持续与复杂的多细胞生物单细胞生命系统的星体。对行星适居性的研究和理论是天体科学的组成部分,正在成为一门新兴学科太空生物学

对地球以外的星体进行生命探索是极古老的话题,最初是属于哲学物理学的研究领域。而在20世纪后期科学界对此有两个重大突破。其一是使用先进机器对太阳系里其他行星与卫星进行观察,获得这些星体的适居性资料,并将其与地球的相关资料作比较。其二是外太阳系行星的发现,它们是在1995年首度发现的,其后进度不断加快。这个发现证明了太阳并不是惟一的拥有行星的星体,而且亦扩阔了探索适合生命居住的行星的范围,使外太阳系星体亦被纳入研究之中。

适合的恒星系统[编辑]

研究行星适居性的首要步骤是由恒星着手,而非行星本身。而通常类地球的行星则是富有资源,因此会有较高机会出现生命。搜寻地外文明计划赞助的凤凰计划底下的科学家们则正是为了探索其他适合生命居住的行星而在努力。其中杜布尔塔尔特在2002年开发了适居恒星表。他们在接近十二万颗属于依巴谷星表的恒星里筛选出一万七千颗适居恒星,而且其使用的筛选条件正好使人们明了影响行星适居性的天体物理学的因素 [1]

光谱类型[编辑]

星体光谱类型表示了该星体的光球温度,并与其(主要是主序星)质量有关。适居恒星的可能光谱类型范围由中等温度的FG至低温的K,亦即由7,000K至大约4,000K光球温度的恒星。太阳居于其中,属于G2型。与太阳相似的恒星大多可以为环绕其运行的行星提供较高的适居性条件。

  • 具有此条件的恒星最少要存在数十亿年,这样生命才能有机会在环绕其运行的行星上繁衍。属于OBA型的较亮的主序星通常能存在的时间少于十亿年,有的只能存在不足一千万年 [2] [1]
  • 此外,具有此条件的恒星会释放足够高能量的紫外线使环绕其运行的行星启动大气运动,如臭氧层的生成,但同时亦不可以有过多的离子化反应使得初生生命被杀死 [3]
  • 具有较高适居性的行星会在距离其恒星较远的区域运行,这可以使该行星表面的液态水不会因潮汐锁定而消散。

这些恒星温度要适中,不可太热或太冷,而且要存在较长时间,使得生命有机会出现。太阳系所在的银河系,其中大约有百分之五至十的恒星属于此类型。而较暗淡的K与M型的恒星(如红矮星)能否为环绕其运行的行星提供使生命存在的环境则是最近热门的讨论话题,因为传统上相信主要是主序星的行星才有机会提供生命的存在环境。这个问题会在下面作出更详细的讨论。

适合居住的地带[编辑]

适合居住的地带是指围绕恒星运行,而其表面具有液态的行星。除了能量来源外,液态水被视为生命最重要的依靠物,就如地球上的生命般。如果将那些不需要水来维持生命的生物也计算在内(如依靠液氨维生),则适合居住的行星将会大幅增加 [2]

一个稳定的适合居住的地带具有两个特征。其一,此地带不可大幅度改变。所有星体均会随着其年龄增长而加强其亮度,而其适合居住的地带则会向外调节,但如果这种情况发生得过快,如超巨大的恒星,则围绕该恒星运行的行星较难提供使生命繁衍的环境。计算行星适居性的方法从来就不简单,而且会受到众多因素的影响。为了计算行星适居性,对该受观察的行星的大气条件及地质需要作出假设,这个假设正确与否十分影响计算的准确性。其实即使是计算太阳各行星的适居性亦有着很大波动 [4]

其二,不可以有巨大质量的星体接近此地带,因为这会影响该类地球行星的组成。假设,如果木星运行于地球与金星间的轨道,则地球与金星均不会出现。以往的天文学家认为太阳系里的内行星为固态行星,而外行星为气态行星十分正常,然而太阳系外行星的发现改变了这个想法。无数类木星行星在其他星系里运行于被认为是适合居住的地带。然而,现在往往是类木星的外太阳系行星较易观察,因此哪种方为正常现在仍未有结论。

低亮度变换[编辑]

恒星的光度转变十分平常,但其变动的范围十分大。大部分恒星均十分稳定,但根据核聚变形式的不同,有少数重要的恒星经常会突然地增加亮度及释放出大量能量。这类恒星因其不稳定性较大而被认为无法为环绕其运行的行星提供生命所需的生存环境。明显地,一般生物不能在温度变化极大的情况下生存。光度不稳定亦有可能是恒星本身释放出致命的伽玛射线X射线所致。若行星存在大气的话,可以尽量减少其影响,不过这个保护作用毕竟有限,因此受到这些射线大量照射的行星通常并不适合生物居住。

太阳则很特别,其最大与最少的光度差距在十一个太阳周期里为千分之一。而有明显的证据可以证明即使是极少量的太阳亮度转变亦会大幅度影响地球的气候。上一个千年(1500年 - 1800年)中的小冰期就有可能是太阳亮度的短暂减弱而造成的结果 [5]。因此,其他恒星不需要有明显的亮度转变亦可能影响环绕其运行的行星的适居性[6]

高度金属特征[编辑]

恒星虽然主要是由组成,但其亦有其他重金属成分,而且含量亦不尽相同。而高重金属含量的恒星通常与原行星盘里的重金属含量有直接关系。原行星圆盘里的重金属含量较少的话会使得在恒星周围形成行星的可能性减低,这是由太阳系边缘的太阳星云的理论得来。而任何行星若是缺少金属成分的话,则其质量会较低,从而变成类木星行星,这并不适合生物生存。光谱学的研究指出,在外太阳系的行星里,如果其主恒星没有伴星的话,则行星本身可以获得更多的金属成分组成,这更有机会形成类地球行星,生命出现的可能性便会较高[7]

双星系统[编辑]

最近的估算指出最少有半数的恒星是处于双星系统下 [8],这使得寻找适合生物居住的行星显得更为复杂。双星系统间的两颗恒星的距离由少于一天文单位至数百天文单位皆有。而双星系统间的行星会因为受到两个恒星的吸力相互影响而使得其轨道凌乱,除非其轨道可以高度集中(参看纳米西斯星)。但是,如果两个恒星间的距离过少的话,适合生物生存的行星便变得不可能。此外,如果行星与其主星的距离大于两个恒星间的距离的五分之一,适合生物生存的行星亦较不可能出现 [9]。由卡内基美隆大学科技工程学院爱伦·伯斯(Alan Boss)所进行的理论研究指出双星系统里形成类木星行星的机会比单星高很多 [10]

南门二是距离太阳最近的多星系统,其证明了双星系统亦有可能为环绕其运行的行星提供适居性。南门二里的A星与B星最近相距十一天文单位,平均为二十三天文单位,但它们均可为环绕其运行的行星提供适合生命居住的环境。有研究指出恒星为环绕其运行的行星提供的适合居住的地带大约为三天文单位的轨道里。南门二里的A星的适合居住的地带为1.2至1.3天文单位,而B星则为0.73至0.74天文单位 [11]

行星特征[编辑]

对行星适居性最主要的假设是它们应是类地球行星。这类行星,应该与地球的质量相差不远,而且是由硅酸盐的石头所构造,并且其外围并不能像类木星行星般由氢与氦所构造。生命可否在类木星行星上生存仍未定论 [3],因为生命需要在没有地表的地方活动及承受巨大的地心吸力,这想来不可能,但不知外星会否有此类生物 [12]。然而,类木星行星的天然卫星却仍然是适合生物居住的候选者之一 [13]

在分析行星适居性时,对于候选者应只能提供生存环境给单细胞生物如细菌还是应提供生存环境给多细胞生物应有争议,而且两者标准亦有所差别。虽然历史上必然是首先有了单细胞生物,然后才发展多细胞生物,但很难断定该暂时只能提供生存环境给单细胞生物的候选者能否在未来提供生存环境给多细胞生物 [4]。以下例出的适合居住行星的特征虽然重点是考虑生命能否出现,但在所有个案均会作进一步研究该行星能否提供生存环境给多细胞生物。

火星因为其大气层较薄,因此即使与地球处于相近轨道亦会较冷

行星质量[编辑]

低质量行星是较差的候选者的原因有二。其一,其较低的地心吸力使得维持大气层变得困难。组成生命的分子会很容易被太阳风陨石撞击带至外太空,从而扼杀生命出现的机会。没有浓厚大气层的行星并不能提供生物化学的必要原始条件,如只有很少的隔热与较差的行星表面传热。(如火星因为只有较薄的大气层,其温度远较地球为低),此外,较薄的大气层所提供的对高频辐射与陨石撞击的保护较少。其二,较细小的行星具有较小的直径,所以其具有较高的面积比。这类行星会较容易损失组成它们的能量,因此其地质活动会停止,即没有火山地震板块活动,结果生命会因为缺乏表面承托、大气保护与维持适合居住温度的物质如二氧化碳而不能出现。

低质量在某些情况是相对的,如地球对比太阳系里的气态行星,其质量可说是很低,然而,地球却是类地球行星里最大的,不论在直径、质量与密度亦是 [5]。其(金星亦是)已足够维护其大气及地心的高热,使得地质活动可以在其表层上出现。对比而言,火星的地质活动已大致停止,而且亦没有浓厚的大气 [14]。由此可见,适合居住的行星的质量最低亦该在地球与火星之间。但也有例外,如木星的天然卫星木卫一(较类地球行星细少)具有火山活动,这是因为其运行轨道的特别使得其地心压力加大。木卫二在其冰封的表面下可能拥有液态的海洋,这是因为其围绕大型行星运行而产生能量。土星的天然卫星土卫六有更大的可能孕育生命,因为其拥有浓厚的大气层、生物化学反应及其液态在其表面。这些天然卫星的质量虽然不符合标准,但却拥有行星适居性,可以说是特别例子。

而且质量较大的行星较易拥有较大的核心,这使得其磁场能保护其不受太阳风的侵袭。然而,质量并非惟一的制造磁场的条件,行星的自转速度较所需的足够快速,从而在其核心造成发电机效果 [15]

轨道与自转[编辑]

行星适居性的其中的一个重要因素是轨道与旋转的稳定程度。轨道离心率是行星近日点远日点间的差距。越大的偏离代表着越大的温度变动。生物并不能在温度变化过大的地方生存,可以想像地球的温度在水的熔点沸点间大幅变动,地球海洋的水便会被蒸发至太空或全部变为冰。地球没有出现这情况是因为其轨道接近圆形,偏离率少于0.02;除水星以外,太阳系内已知的大行星均如此。而搜集回来的资料则令学者相当吃惊,在外太空找到适合居住的行星的机会大大减少,因为大部分外太阳系行星的轨道偏离率均大于地球,平均有0.25 [16]

行星的自转亦需符合特定的条件才可为生命提供生存的机会。

  • 日夜交替的时间不可太长。如果行星上度日如年的话,日夜温差便会太明显,这就如轨道离心率般造成不宜居住的环境。
  • 该行星必须有气候适中的季节。如果其轴心偏离太少的话,便不会有季节转换,这样很多生物的自然活动皆不能进行。但若行星轴心过度偏离的话,则季节过于分明,生物难以平衡各项生理需求。但有研究指出即使轴心倾斜八十五度的行星仍有可能存在生物 [17]
  • 行星的摇摆不可过分,其岁差亦需较长。地球的岁差以二万六千年为一周期,如果这个周期不够长或摇摆过度,气候转变便会过分明显,这会影响其适居性。

月球对地球的轨道稳定程度有着极重要的影响,但对于其影响程度仍有着争论 [18] [6]

地球化学[编辑]

通常所有外太空生物均会被假设需要符合部分基础地球化学,如需要具有四种必要的生命元素,,而这些亦是宇宙里最具化学活跃性的元素。部分生物的生命活动所必需的化合物,如氨基酸就在陨石与星际空间里找到。这四个元素共占了地球上生物量超过百份之九十六的组成成分。碳可以组成精密的大型有机化合物,这会构成生命复杂的机械作用。氢与氧可以组成水分供生命生存之用。通由分解碳水化合物而释放出的大量化学能量,是生命的燃料。这四个元素组成了氨基酸,这是维持生命必要的物质蛋白质的基本成分。

行星里大气的元素相对拥有量与其内部拥有量并不相等,上面四个主要元素里,只有氧在地球的地壳占有较大分量 [19]。这部分因为很多重要元素或碱性化合物在常温时是气体,如二氧化碳甲烷。在近太阳的地带,因为温度极高,这些易挥发的化合物较难参与行星地质构成。它们会以气体形式存在在地壳下,而地壳则主要以石英构成。在行星出现首次火山活动后,这些气体会被喷出,从而构成行星的大气。米勒-尤里实验指出,在足够的能量供给时,氨基酸可以由简单的化合物在原始大气里结合而得 [20]

然而,火山活动并不构成地球的海洋 [21]。地球海洋里的大量水分及生命主要构成物质碳,均来自外太阳系,在远离太阳热力的地带,因为在那儿这些东西仍是固体。早期的彗星撞击为地球带来大量的水分与生命所需的易挥发物,这为生命提供了初现的条件。

由此得知,行星获得这四个生命元素的渠道主要是彗星,若没有彗星撞击,则该行星较难出现生命,但仍有可能性,详情可参看替代生物化学

其他考虑因素[编辑]

红矮星星系的适居性[编辑]

通由判定环绕红矮星运行的行星是否具有适居性可得知宇宙的生物的普遍情况,红矮星占天空里恒星的70至90个百份比。褐矮星虽然比红矮星还多,但它们往往不被认为是恒星,而且在已知的知识下它们被认为无法为环绕其运行的行星提供生命所需的资源,这是因为其只释放少量热量并很快消散。

红矮星在很长的时间里被天文学家认为无法为环绕其运行的行星提供适居性。这是因其质量较小(大约为太阳质量的0.1至0.6倍),所以环绕其运行的行星若要具有地球表面的温度则需要运行于0.3天文单位左右的距离。这会导致潮汐力锁定,并使得行星的一面永远白昼,另一面永远漆黑。惟一可供生命出现的可能是该行星具有极厚的大气层,这可以减低热力的吸收与散失,使得温度较稳定,但这会防止了植物首次光合作用的出现,因为阳光难以照射至地面。

然而最近的研究却改变了这个悲观想法。由位于加州美国宇航局恩斯研究中心的罗拔·黑贝尔雷与马加·乔西的研究报告指出该类行星只需要具有比地球大气厚度厚15%的大气便可传导热量至漆黑的一面。这个厚度亦无阻光合作用,只是水分在漆黑的一面仍会凝固为冰 [23]格林威治社区学院的马丁·希夫斯亦指出若海床较深的话,海水亦会因对流作用而不变成固态。所以具有较深海床与较厚大气的行星,其亦可能在红矮星星系里提供生命出现的环境。

质量并不是惟一的因素使得红矮星较难为环绕其运行的行星提供适合的生命环境,环绕其运行的行星的漆黑面的植物无法进行光合作用,这是因为其永远看不到阳光。即使是日照面,因为阳光长期照射,被山岳被遮蔽的阴暗地带的植物亦无法看到阳光,难以进行光合作用。此外红矮星主要是释放红外线,并不是可见光,这导致植物进行光合作用更为困难。

红矮星光度会因为其表面黑子的数量而有重大变改,最暗时会较正常暗百分之四十,而最光亮时则为正常两倍。这对生命造成损害,因为这会使行星的气候转变过大及生命突变率变高。

红矮星亦有一个提供行星生命环境的明显优势,就是其存在已有很长时间。地球四十五亿年历史,适合生命居住的时间仅为5亿多年[24]。红矮星可存在数兆年,这是因为其内部核反应较其他大型恒星为慢,所以其生命较长。红矮星所提供的适合居住的地带多而细,平均数量与类太阳恒星所提供的相差不远,但它们是无处不在的,因此生命出现的可能性亦大 [25]

良好的木星[编辑]

“良好的木星”是指大型气态行星,就如太阳系里的木星,其与适合居住的地带距离刚好远至不会影响生命的出现,而又刚好近至可以为其内行星提供保护。首先,其稳定了其内行星的轨道,亦即稳定其内行星的气候。其次,其可以保护适合居住的地带的类地球型行星不受大型殒石撞击,以免生命被毁灭[26]。良好的木星运行的距离大约为适合居住的行星与恒星距离的五倍。

早期太阳系历史里,木星有着不同的角色,它增加了小行星带的行星轨道偏离,使之撞击地球并提供了生命必须的挥发物。在地球变成现在质量前,木星与土星间的冰块和小行星带的冰块被木星与土星[27]影响而撞向地球,为地球带来水分。

银河系的邻居[编辑]

科学家大多认为太阳系是最有可能存在生命的星系,因为以下条件;

  • 不在球状星团里。
  • 不接近巨大伽玛射线源。
  • 不接近银河系中心的黑洞。
  • 太阳的圆形轨道避免了大部分的危险。

相对孤立是恒星系出现生命需要的环境。如果太阳系过于接近其他恒星系,则其邻居会影响太阳系里各行星的稳定。而且相近恒星系亦可能出现超新星爆发或是脉冲星,这会大大影响地球的生命生存环境。

参看[编辑]

注释[编辑]

^ 在地球形成五亿年后,生命开始出现。按此推断,生命需要五亿年以上方能出现,如果恒星生命周期过短,则生命无以存活。"A"级恒星只有六至十二亿年寿命; "B"型恒星只有一千万至六亿年寿命; 而"O"型恒星更只有不足千万年之寿命,故不论何者,皆不足以让生命形成并发展。

^ 木卫二土卫六虽不在适合居住的地带内,但此二者之适居性仍有争议,有指其当为地球以外最有可能存有生命之星体。

^ 有指生命可以在木星型行星之云顶生存(参阅en:Evolving the Alien),而卡尔·萨根亦曾言,金星之云,或可成为生命存活之所。

^ 越来越多人相信,在浩翰无垠的宇宙里,遍布着单细胞生物;而复杂生命体则未必,甚至可能只存在于地球上。地球上的嗜极生物(注:多为单细胞生物),竟能在极端环境存活,便是佐证。而复杂生命体,则未必可如此。彼德·华德与其同志曾有研究指出,微生物广布在宇宙间,而复杂生命体则极为稀有,甚至可能仅存活在地球上。而现有对地球历史之认知,亦仿佛印证了此点。在生命初现于地球后三十亿年,即寒武纪之时,多细胞生物方才出现,若其时并无发生此突变,则地球迄今仍只会存有单细胞生物。

^ 有趣的是,在地球与两个最小的气态行星,即天王星海王星之间,存在有一个质量空隙,后两者之质量皆约为地球之十四倍。假设这个世界是巧合的,而且没有地球物理学上的阻碍,则在浩翰星河里,应有二至廿倍于地球质量之类地行星。此等行星,足以维持内部动能,并保有大气层,而不致于变为气态行星,若其主恒星许可,则实为生命繁衍之佳所,即超级地球

^ 根据目前通行的说法,月球之形成,实因一个有若火星大小的星体,以偏侧角度撞击地球,从而使地球的大量物质溢出,及后慢慢冷却凝聚而成。按上方华德之稀有地球理论,此等撞击殊为重要,实为地球与其他行星,存有生命与否的关键。但在无此等撞击的情况下,是否无法营造适合生命居住的环境,尚有争论。

参考资料[编辑]

原始资料[编辑]

1. ^  Turnbull, Margaret C., and Jill C. Tarter. "Target selection for SETI: A catalog of nearby habitable stellar systems," The Astrophysical Journal Supplement Series, 145: 181-198, March 2003. (Link). Habitability criteria defined—the foundational source for this article.

3. ^  Kasting, J.F., D.C.B. Whittet, and W.R. Sheldon. "Ultraviolet radiation from F and K stars and implications for planetary habitability," Origins of Life, 27, 413-420, August 1997. (Link abstract on-line). Radiation by spectral type considered.

4. ^  Kasting, J.F., D.P. Whitmore, R.T. Reynolds. "Habitable Zones Around Main Sequence Stars," Icarus 101, 108-128, 1993. (Link). Detailed overview of habitable zone estimates.

7. ^  Santos, Nuno C., Garik Israelian and Michel Mayor. "Confirming the Metal-Rich Nature of Stars with Giant Planets," Proceedings of 12th Cambridge Workshop on Cool Stars, Stellar Systems, and The Sun, University of Colorado, 2003. (Link). Metallicity and the occurrence of extra-solar planets.

11. ^  Wiegert, Paul A., and Matt J. Holman. "The stability of planets in the Alpha Centauri system," The Astronomical Journal vol. 113, no. 4, April 1997 (Link). Potentially stable orbits and habitable zones around Alpha Centauri A and B.

18. ^  Laskar, J., F. Joutel and P. Robutel. "Stabilization of the earth's obliquity by the moon," Nature, 361, 615-617, July 1993. (Link abstract on-line). Necessity of Moon for stable obliquity considered.

27. ^  Lunine, Jonathon I. "The occurrence of Jovian planets and the habitability of planetary systems," Proceedings of the National Academy of Science vol. 98, no. 3, 809-814, January 30, 2001. (Link). The role of Jupiter in seeding the early Earth.

二手资料[编辑]

2. ^  Star Tables, California State University, Los Angeles.

5. ^  The Little Ice Age, University of Washington.

6. ^  18 Scorpii, www.solstation.com.

8. ^  Binary Stars, Cornell University.

9. ^  Stars and Habitable Planets, www.solstation.com.

10. ^  Planetary Systems can form around Binary Stars, Carnegie Institute release, January 15 2006.

12. ^  "Could there be life in the outer solar system?" Motivate videoconferences for schools.

13. ^  An interview with Dr. Darren Williams, www.ibiblio.org.

14. ^  The Heat History of the Earth, James Madison University, Geology.

15. ^  Magnetic Field of the Earth, Georgia State University.

16. ^  Bortman, Henry. Elusive Earths, Astrobiology Magazine, June 22, 2005.

17. ^  "Planetary Tilt Not A Spoiler For Habitation", Penn State release, August 25 2003.

19. ^  Elements, biological abundance David Darling Encyclopedia of Astrobiology, Astronomy and Spaceflight.

20. ^  "How did chemisty and oceans produce this?", Electronic Universe Project, University of Oregon.

21. ^  "How did the Earth Get to Look Like This?", Electronic Universe Project, University of Oregon.

22. ^  Habitable zones of stars, University of California.

23. ^  Red, Willing and Able, www.kencroswell.com, published in New Scientist January 27, 2001.

24. ^  "'The end of the world' has already begun", University of Washington release, January 13, 2003.

25. ^  "M Dwarfs: The Search for Life is On," Interview with Todd Henry, Astrobiology Magazine, August 29, 2005.

26. ^  Bortman, Henry. "Coming Soon: 'Good' Jupiters", Astrobiology Magazine, September 29, 2004.

28. ^  Mullen, Leslie. Galactic Habitable Zones, Astrobiology Magazine, May 18 2001.

参考书目[编辑]

  • Cohen, Jack and Ian Stewart. Evolving the Alien: The Science of Extraterrestrial Life, Ebury Press, 2002. ISBN 0-09-187927-2
  • Doyle, Stephen H. Habitable Planets for Man, American Elsevier Pub. Co, 1970. ISBN 0-444-00092-5
  • Grinspoon, David. Lonely Planets: The Natural Philosophy of Alien Life, HarperCollins, 2004.
  • Lovelock, James. Gaia: A New Look at Life on Earth. ISBN 0-19-286218-9
  • Ward, Peter and Donald Brownlee. Rare Earth: Why Complex Life is Uncommon in the Universe, Springer, 2000. ISBN 0-387-98701-0
  • Gonzalez, Guillermo and Richards, Jay W. The Privileged Planet, Regnery, 2004. ISBN 0-89526-065-4

外部链接[编辑]