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比地球更适宜居住的世界?确实有,不骗你

纽约时报报道说,几年前,在德国柏林的一间实验室里,天体生物学家伊娃·维洛维奇看到家独行菜(garden cress)在一种特殊灯光下发芽时,兴奋不已。这种灯光模拟的是K型矮星发出的光。

授权:CC BY-SA 4.0

K型矮星呈橙色,温度低于我们所熟悉的黄色太阳,燃烧速度也更慢(比太阳略小,寿命更长)。令她意外的是,在模拟K型矮星的光照下,家独行菜不仅生长得更快,而且长得比在模拟太阳光下还要高。

她的实验结果表明,围绕这些橙色恒星运行的行星上,也可能发生光合作用。光合作用为地球整个食物网提供了能量基础。

如今在德国波茨坦莱布尼茨天体物理研究所工作的维洛维奇博士说:“K型矮星发出的光是一种非常、非常有意思的光源。在我看来,任何寻找地外生命的研究都应该考虑这种光源,甚至应该把它列为优先研究对象。”

尤其值得关注的是,外星生命可能在围绕这些恒星运行、体积略大于地球的行星上繁盛生长。这类行星被称为“超级地球”。

维洛维奇等科学家认为,围绕K型矮星运行的超级地球,实际上可能是整个银河系中生命最繁盛的地方,甚至可能比地球更适合生命生存。

科学家把这样的行星称为“超宜居世界”。在这样的世界里,以碳为基础的生命不仅能够存在更长时间,还可能演化得比地球生命更加复杂、更加多样。

按照科学家的设想,一颗超宜居行星的直径比地球大20%至30%,质量约为地球的两倍,而且与母恒星的距离恰到好处,能够让液态水在行星表面流动。

由于重力更强,这颗放大版的地球能够比地球更牢固地留住周围的气体分子,形成更厚的大气层,维持更加温暖、稳定的气候,为外星植物和动物,或者功能类似的生命形式,提供繁盛生长的条件。

超级地球更大的铁质核心还可能形成更强的磁场,为行星提供更有效的宇宙辐射屏障。

至于超宜居行星的地表环境,不妨想象一下天堂般的景象。

由于重力更强,这颗更大的星球可能比地球更加圆润,表面也更加平坦。强大的重力会削平大陆架的起伏,填平深邃的海沟。水会更加均匀地分布在行星表面,形成大片浅湖和浅海。

在地球上,热带岛屿和浅海是生物多样性最丰富的栖息地之一。现在,想象一个遍布温暖群岛和珊瑚礁的世界。

岛屿上充满旺盛的生命活动。复杂多变的地形,加上岛屿之间的地理隔离,会促使大量不同物种出现,形成惊人的生物多样性。

阳光可以一直照射到海底,让大量外星藻类和植物进行光合作用,为繁荣的海洋生态系统提供充足食物。

而照亮这个世界的,可能正是母恒星K型矮星散发出的橙色光芒。

天文学家从2010年代开始认真思考一个问题:是否存在比地球稍大一些、环境也稍好一些的行星?

如果存在,又该到哪里去寻找?

这一研究方向的出现,部分源于美国犹他州韦伯州立大学教授约翰·阿姆斯特朗提出的一个问题。

当时,阿姆斯特朗在YouTube上一场天体生物学研讨会的视频评论区留言:“难道不应该存在比地球更适合生命居住的行星吗?”

这个问题引起了另一位天文学家勒内·海勒的思考。海勒如今在德国马克斯·普朗克太阳系研究所工作。

长期以来,天文学家一直试图在遥远行星上寻找生命活动留下的化学信号,研究重点通常是寻找“地球孪生星球”,也就是那些大小与地球相近、拥有岩石表面和液态水,并且围绕类似太阳的恒星运行的行星。

但海勒开始怀疑,地球未必是孕育生命的最佳范本。

毕竟,哥白尼革命的核心思想之一,就是人类并不处于宇宙中的特殊位置。地球围绕太阳运行,而不是太阳围绕地球运行。

海勒博士说:“我突然意识到,今天的人类在寻找类地行星时,实际上仍然带着同样的人类中心主义偏见。”

“当然,地球对我们来说很特殊。但从整个宇宙的角度看,为什么非要把地球当作参照标准呢?”

事实上,地球也只是勉强符合生命宜居的条件。

大多数天体生物学家认为,要让生命在一颗行星上出现,行星表面必须存在液态水。

地球上的情况似乎印证了这一观点。大约40亿年前,随着地球逐渐冷却,液态水开始在表面汇聚,最早的细菌几乎就在同一时期出现。

然而,如果地球与太阳的距离再缩短2%,地表就不可能形成这样的水域。相反,地球上的水会全部沸腾蒸发。

我们只是运气好。

但这种好运不会永远持续。

太阳正在不断膨胀,亮度也越来越高。科学家计算认为,再过大约5亿年,地球就会变得过于炎热,无法继续维持植物和动物这样的复杂生命。

对海勒来说,寻找比地球更适合生命生存的世界,最终是为了回答一些根本性的问题。

他说:“我们想知道,我们在宇宙中是否孤独,是否有可能被其他生命发现,是否真的存在某个能够与我们交流的对象。”

他接着说:“虽然我不是一个特别有精神信仰追求的人,至少在日常生活中不是,但这个问题始终是推动我研究的动力之一:宇宙中会不会真的还有谁存在?”

海勒联系了阿姆斯特朗。2014年,两人共同发表了一篇论文,首次系统提出“超宜居世界”假说。

他们设想中的超宜居世界,就是表面遍布群岛的超级地球。

他们希望为天文学望远镜的观测工作提出一个新的目标。

两人在论文中写道:“未来对地外生命迹象进行后续观测时,必须把超宜居世界纳入考虑范围。”

在论文中,海勒和阿姆斯特朗提出,与类似太阳的恒星相比,温度较低、体积较小的K型矮星可能更适合作为超宜居行星的母恒星。

原因是K型矮星消耗氢燃料的速度更慢,亮度增加的过程也更加缓慢。

我们的太阳剩余的氢燃料大约还能维持50亿年。之后,太阳会急剧膨胀,颜色逐渐变红,最终成为一颗红巨星,并吞没地球。

相比之下,K型矮星可以稳定发光数百亿年。

因此,围绕K型矮星运行的超宜居行星,能够为生命提供长得多的演化时间,使生命有机会发展出越来越复杂的形态。

至于究竟会出现什么样的生命,我们只能依靠想象。

目前能够确定的是,在过去40亿年间,地球生命不断朝着更加复杂、更加精密的方向演化,迄今已经产生了人类这种具有高度智慧的生命。

美国首都华盛顿卡内基科学研究所的行星科学家约翰娜·特斯克说:“K型矮星似乎确实是所有人心目中最理想的恒星类型。”

能够维持液态水的行星,围绕K型矮星运行时,与母恒星的距离会比围绕太阳这类恒星运行时更近,因此也更容易通过望远镜观测。

天文学家寻找距离地球几十乃至几百光年的生命时,主要依靠分析行星大气层中的气体,寻找可能表明生物活动存在的化学物质。

目前的观测设备,包括詹姆斯·韦布空间望远镜,主要能够分析那些围绕体积很小的红色恒星运行、距离母恒星很近的岩石行星的大气层。

这些红色恒星被称为M型矮星。

但迄今发现的这类行星,大多数似乎只是光秃秃的岩石世界。由于距离母恒星太近,受到强烈恒星活动的影响,行星的大气层已经被剥离。

未来,科学家应该能够进一步探测潜在超宜居行星的大气层,特别是那些在适当距离上围绕K型矮星运行的超级地球。

第一步,是找到距离地球较近、符合条件的候选行星。

海勒是欧洲航天局柏拉图任务的负责人之一。按照计划,柏拉图空间望远镜将于2027年发射,主要任务是探测可能适合生命生存的行星,其中包括围绕K型矮星运行的超级地球。

海勒博士说:“我们很可能会找到几颗,也许能找到十几颗。但我们不会因此对这些行星了解太多。”

接下来,还需要其他望远镜进行后续观测,进一步揭示这些行星大气层的化学组成。

未来几年,韦布空间望远镜或许能够对部分潜在超宜居超级地球的大气层展开研究。

目前正在智利建造的欧洲极大望远镜,主镜直径达39米,将有能力观测更多类似行星。

而美国国家航空航天局计划在2040年代执行的“宜居世界天文台”太空任务,将使科学家能够开展范围更大、结果更具决定性的观测。

对维洛维奇博士来说,寻找超宜居行星的过程,在某种程度上寄托着一种理想主义的梦想。

她说:“我梦想着一个拥有美好自然条件,而且没有受到人类负面影响的世界。”

她认为,这项研究也反映了人类“寻找极致”的冲动,也就是探索我们已经认识和理解的生命形式,究竟能够发展到怎样的极限。

至于这样的梦想是否真的能够成为现实,维洛维奇对找到超宜居行星和外星生命的可能性相当乐观。

她说:“我愿意相信,从统计学角度看,在浩瀚宇宙中,生命存在的可能性很大,尤其是在那些超宜居行星上。”