宇宙中的可居住区

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  或许在一个发展完全的地球型行星上存在生命的可居住区。
  
  可居住区
  对地球早期陆地生命的研究表明,对可居住的行星和卫星的要求是有水且温度适中,所以不能太接近主星。比如在太阳系,可居住区位于金星与火星之间。比金星近的行星太热,太干燥,上面不可能有生命;比火星远的行星太冷,整个星球结成一坨冰,不允许生命栖息。因此,寻找太阳系外的生命可居住区,首先取决于主星(太阳型恒星)的温度,主星越热,居住区的位置越远,也越宽;其次,取决于行星的大气,如果行星周围有大量俘获热量的温室气体如二氧化碳,行星就可以维持在距离主星较远的地方。此外,还希望主星周围有气体/尘埃盘,希望行星上有长期稳定的气候和适当比例的化学成分,希望行星有磁场以防护来自太空其他恒星的致命高能粒子。对地球大小的行星而言,维持生命或许还需要一个大质量的行星作为“引力真空吸尘器”,为地球大小的行星清除前进道路上的障碍,以免发生像1994年“苏梅克-列维彗星”撞击木星那样的宇宙撞击事件。此外,为了保证生命的起源和生存,居住区一定要在地质的时间尺度上保持连续可居住性。
  
  什么叫“可居住区”呢?是指生命可以生存的地方。地球的表面有生命,温暖的地壳下面有生命,寒冷的冰山顶上也有生命,可以想象,地球之外也可能有生命,科学家推测,它们可能就在地球型行星上。换言之,在一个发展完全的地球型行星上一定有生命的可居住区。
  “可居住区”一词最早出现在1959年,但一直到1992年人们才对它有详细的阐述:可居住区是恒星周围的一个空间区域,区域内的行星表面上可以有液态水,这样的区域只能存在于太阳型恒星周围的行星上。在太阳系中,可居住区位于金星与火星之间,这里不太热,也不太冷。
  对地球早期陆地生命的研究表明,对可居住的行星和卫星的要求是有水,温度适中,所以不能太接近主星,比如在太阳系,比金星近的行星太热,太干燥,上面不可能有生命;但也不能距主星太远,像冥王星,这样的星太冷,整个星球结成一坨冰,不允许生命栖息。
  可居住区的位置,首先取决于主星的温度,主星越热,可居住区的位置越远,也越宽;其次,取决于行星的大气,如果行星周围有大量俘获热量的温室气体如二氧化碳,行星就可以维持在距离主星较远的地方。此外,还希望主星周围有气体/尘埃盘,希望行星上有长期稳定的气候和适当比例化学成分的物质,希望行星有磁场以防护来自太空其他恒星的致命高能粒子。对地球大小的行星而言,维持生命或许还需要一个大质量的行星作为“引力真空吸尘器”,为地球大小的行星清除前进道路上的障碍,以免发生像1994年“苏梅克-列维彗星”撞击木星那样的宇宙撞击事件。
  要想适合于生命的起源和生存,可居住区就一定要在地质的时间尺度上保持连续可居住性。由于这个原因,天文学家只考虑低质量的主序星(年纪到了中年的恒星)作为候选的可居住行星的主星。主序星像太阳一样,寿命约为100亿岁。但是,恒星不是一成不变的,由于演化,恒星会变老,随着恒星变老,它的光度一般会增加,这将推动可居住区向外移。在极端情况下,整个可居住区移开它的主星(在太阳系,可居住区将移动0.95~1.15个天文单位,天文单位是地球到太阳的距离,1个天文单位等于1.5亿千米),从而导致业已形成可居住区的行星上的一切生命都遭受不幸。不过,在恒星的大部分生命期间,可居住区都可能存在。
  20世纪下半叶,科学家对可居住区的认识有了飞跃发展。科学家在被视为生命禁区的海底发现一些超级喜热微生物,生活在海底火山口附近117℃的热液中,依靠从火山口喷出的物质生活,它们能抗御极高的压力和腐蚀性极强的酸,能经受大剂量的辐射照射。科学家还在几米深的温暖地壳下面和寒冷的冰山顶上,发现了包括超级喜热微生物在内的多种原始生命。与呼吸氧气的有机物获得能量的方式不同,超级喜热微生物不需要有机分子或阳光,而是通过临时代谢作用获得能量,这就给了科学家一个启迪:除了传统的可居住区,只要有液态水,就可以支持生命存在。如果一颗巨大行星内有大量内能提供热量,它就不需要接近主星,在没有光照的情况下也能维持生命。
  即使上面所有条件都具备了,在适当轨道上发现地球大小的行星后,还需对新世界的可居住区进行仔细考察。由于太阳系外行星距离遥远,那里的1米大小的物体用地面望远镜无法看见,所以这个任务就落到了空间科学家的头上。空间科学家正准备发射大型空间望远镜到太空去,已列入计划的有欧洲空间局的“达尔文”和美国宇航局的“地球型行星发现者”。
  寻找太阳系外可居住区的另一个方法是——寻找地外文明,即在地面用射电望远镜收听“外星人”发射的无线电信号。这项研究自1959年开始策划,到20世纪60年代初拉开帷幕。观测的第一批对象中有一颗叫做波江座ε星的年轻的太阳型恒星,距离地球10.5光年。在200小时的观测中,科学家收听到了8个较强的脉冲射电信号。“这不是外星人发射的信号吗?!”科学家为之而激动:“外星人能把无线电发射到我们地球上来,一定具有高度文明。”然而,这些信号后来被证实不是来自“外星人”,而是来自地球上某军事基地的雷达试验信号。
  “外星人”发射无线电波虽然没有得到证实,但科学家观测波江座ε星的兴趣并未减退,观测手段也由射电波段扩展到光学波段。2000年用巨大望远镜拍摄的照片表明,波江座ε星的行踪特别有趣,它就好像醉汉一样,踉踉跄跄地走着“之”字步。按这种方式移动的恒星,一般而言它的身边都隐藏着行星,是行星在用引力拉它的主星走“之”字步。经计算,波江座ε星身边的行星的质量约为木星质量的1.5倍,绕波江座ε星的运行周期为7年,这是一颗气体巨行星。哈勃望远镜的观测进一步揭示,这颗行星的轨道面上有一个气体/尘埃盘。这表明行星是由气体/尘埃盘的物质形成的。
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