重新定义宜居带!宇宙中的宜居行星可能比我们想的要少得多!

2围绕其他恒星的宜居带被定义为一个在星球表面可以存在液态水的区域;但是复杂的生命需要的不仅仅只有水。

当开普勒太空天文台(Kepler Space Observatory)在2009年发射升空之后,它就开始以令天文学家兴奋的速度在其他恒星周围发现着行星。这些数据导致科学家们得出了这样的估计:我们的星系中一定有大约400亿颗类地行星在类日恒星和红矮星的宜居带中运行着。

宜居带是恒星周围某个范围区域的称呼,在宜居带中液态水可以存在于行星表面。这很重要,因为地球上的证据表明液态水对生命至关重要,但如果生命可以很容易在类地行星上开始的话,开普勒太空天文台的数据表明我们的星系一定充满着生命。因此,寻找证据的竞赛正在如火如荼地进行,各种各样的太空望远镜被设计用来寻找生命必然会产生的独特光谱特征。

但这项竞赛的关键挑战是要找到最佳的目标——那些条件似乎最有利于复杂生命存在的行星。天体生物学家已经开始指出,仅仅只有液态水是不够的。如果以地球为例,其他分子的比例也很重要,比如,过多的二氧化碳或一氧化碳会杀死我们所知的复杂生命形式。

前几天,加利福尼亚州河滨市NASA天体生物学研究所的爱德华·施韦特曼(Edward Schwieterman和他的几位同事修正了“宜居带”的定义,他们将一氧化碳和二氧化碳的含量也考虑在内。结果,定义修改之后他们认为适合复杂生命居住的区域比之前预计的要小得多——大约是之前定义范围的四分之一左右。Schwieterman和他的同事说:“我们的研究结果对于在太阳系外行星上寻找生物特征和复杂生命具有许多重要的意义。”

首先先说说背景知识。宜居带的大小很难计算,因为地表温度取决于大气中的各种反馈过程,比如温室效应。可居住带的传统定义指定了一种包含氮、二氧化碳和水的大气环境,这种环境同样由碳酸盐-硅酸盐的反馈过程稳定下来(地球上存在相同的反馈过程)。

碳酸盐-硅酸盐循环是一个长期的过程,硅酸盐岩石会与水和二氧化碳反应生成碳酸盐岩石,然后在高压、高温和火山作用下碳酸盐岩石又会重新转化为硅酸盐岩石和二氧化碳。这就形成了一个反馈回路,使大气中的二氧化碳水平保持相对稳定,允许温室效应提高地表温度。

在宜居带内边缘的行星,二氧化碳水平不需要太高就可以创造足够高的温度来产生液态水。在地球历史中,必要的二氧化碳水平一直在变化,从百万分之几十到百万分之几百不等。

Schwieterman和他的同事说:“但是对于在宜居带中部和外部的行星来说,大气中的二氧化碳浓度需要高得多才能维持有利于液态水在行星表面生成的温度。”

例如,一颗常被认为非常有可能孕育外星生命的系外行星开普勒-62f,这颗行星的质量大约是地球的三倍,在天琴座内围绕它的主恒星运行,与其主恒星的距离与金星到太阳的距离差不多。但由于其主恒星的亮度不及太阳,开普勒- 62f接收的阳光量只与太阳系内的火星相当,因此它位于宜居带的外围。

温室效应很容易就可以使开普勒-62f升温到足以产生液态水。但是Schwieterman和他的同事计算出,要达到这个目的需要3到5个大气压的二氧化碳,这个数量是在地球复杂生命历史中存在过的二氧化碳的1000倍。

研究小组指出,这种水平的二氧化碳对当今地球上的大部分复杂生物来说都是致命的,在地球过去的历史中,二氧化碳水平的增加被认为是导致物种大规模灭绝的一个重要因素。在确定宜居带时,我们还需要考虑到生命所能承受的二氧化碳水平极限。因此,对于孕育生命来说,开普勒- 62f也许并没有人们此前想的那么友好。

一氧化碳同样也威胁着复杂生命。Schwieterman和他的同事计算出,围绕着冷却恒星运转的行星很可能含有更高水平的一氧化碳,因为这些行星上的光化学条件更有利于产生一氧化碳。这为宜居带又带来了限制。

该小组的最终计算是为了找出这些限制会如何改变我们目前对宜居带大小的理解。Schwieterman和他的同事们说:“计算结果的其中一个暗示是我们可能不会期望在M矮星外部轨道上的行星、或者在靠近宜居带外边缘的潜在宜居行星上发现智慧生命或技术特征的迹象。”

这将对未来在其他行星上寻找生物特征的任务产生重大影响,天文学家很可能会把注意力集中在更温暖的类日恒星上,这些恒星上的条件可能对复杂生命更有利。

但是未来太空望远镜的设计者不必担心缺少观察目标,即使宜居带比之前认为的要小得多,但单是在我们的星系中就可能有数亿个宜居行星,这对目前计划的任务来说应该绰绰有余了。

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