美國宇航局和其他太空機構(gòu)對太陽系外行星研究領(lǐng)域寄予厚望。在過去的十年里，已知的系外行星的數(shù)量已接近4000顆，一旦下一代望遠鏡投入使用，預計還會發(fā)現(xiàn)更多的系外行星。由于有如此多的系外行星需要研究，研究目標已經(jīng)慢慢地從發(fā)現(xiàn)過程轉(zhuǎn)向分析測定。

不幸的是，科學家們?nèi)匀槐贿@樣一個事實所困擾，那就是我們所認為的“宜居地帶”受到很多假設(shè)的影響。針對這一問題，一個國際研究小組最近發(fā)表了一篇論文，他們在論文中指出，未來的系外行星調(diào)查可以超越地球模擬的例子，作為可居住性的指標，并采取一種更全面的方法。

這篇題為“宜居帶預測和如何測試它們”的論文最近在網(wǎng)上發(fā)表，并作為白皮書提交給了《2020年天文與天體物理學十年調(diào)查》。背后的小組由地球生命科學研究所(ELSI)和空間科學研究所(SSI)的研究員拉姆西斯·M·拉米雷斯（Ramses M.Ramirez）領(lǐng)導的，有來自23所大學和機構(gòu)的研究人員。

十年調(diào)查的目的是考慮以前在各個研究領(lǐng)域取得的進展，并確定今后十年的優(yōu)先事項。因此，這項調(diào)查為美國航天局、國家空間基金會(NSF)和能源部規(guī)劃其未來的天文學和天體物理學研究目標提供了重要的指導。

目前，許多這些目標集中在系外行星的研究上，這將在未來幾年受益于詹姆斯·韋伯空間望遠鏡(JWST)和廣域紅外空間望遠鏡(WFIRST)等下一代望遠鏡的部署，以及超大型望遠鏡(ELT)、30米望遠鏡、和巨型麥哲倫望遠鏡(GMT)。

太陽系外行星研究的首要任務(wù)之一是尋找有可能存在地外生命的行星。在這方面，科學家根據(jù)行星是否在其恒星的宜居帶(HZ)內(nèi)運行，將行星指定為“潛在可居住的”(因此值得后續(xù)觀察)。因此，謹慎的做法是看一看定義宜居帶的含義。

正如拉姆西斯和他的同事在他們的論文中指出的那樣，關(guān)于外行星可居住性的一個主要問題是所作的假設(shè)的水平。為了將其分解，大多數(shù)氫氮化合物的定義都假定表面存在水，因為這是目前已知的唯一種宿主生命的溶劑。這些相同的定義假定生命需要一顆巖石行星，它的構(gòu)造活動圍繞著一顆明亮而溫暖的恒星運行。

環(huán)繞恒星的“金發(fā)帶”是一顆行星既不太熱也不太冷以能夠支撐液態(tài)水的區(qū)域

然而，最近的研究對其中的許多假設(shè)提出了質(zhì)疑。這些研究包括，大氣中的氧并不意味著生命的存在，尤其是如果氧是化學分解而不是光合作用的結(jié)果。其他研究表明，在行星演化的早期階段，氧氣的存在如何能夠阻止基本生命形式的出現(xiàn)。

此外，最近的一些研究表明，板塊構(gòu)造可能不是生命出現(xiàn)的必要條件，所謂的“水世界”可能無法支撐生命。最重要的是，理論研究表明，生命可以在其他天體上的甲烷或氨的海洋中進化。

這里的關(guān)鍵例子是土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六，它擁有一個富含生命起源以前的條件和有機化學的環(huán)境，一些科學家認為這可以支持奇異的生命形式。最后，科學家們尋找已知的生物標記物，如水和二氧化碳，因為它們與地球上的生命有關(guān)，這是唯一已知的有生命的行星的例子。

但是，正如拉米雷斯解釋的那樣，這種心態(tài)(地球類似物被認為適合生命的心態(tài))仍然充滿問題：

“經(jīng)典的宜居帶定義是有缺陷的，因為它的構(gòu)造主要是基于以地球為中心的氣候?qū)W論點，這些論點可能適用于也可能不適用于其他可能適合居住的行星。例如，它假設(shè)在可居住帶外緣附近的潛在可居住行星上可以支持CO2大氣。然而，如此高的二氧化碳水平對地球上的動植物是有毒的，因此，如果不能更好地理解生命的極限，我們就不知道這一假設(shè)的合理性。

開普勒62f系外行星需要一個富含二氧化碳的大氣層才能使水變成液態(tài)

經(jīng)典的宜居帶還假設(shè)CO2和H2O是維持潛在宜居行星的關(guān)鍵溫室氣體，但近年來的幾項研究使用不同的溫室氣體組合制定了替代的宜居帶定義，包括那些雖然在地球上相對較小，但對其他潛在宜居行星可能很重要的定義。

在先前的一項研究中，拉米雷斯博士證明了甲烷和氫氣的存在也可以引起合適的宜居帶，從而在某種程度上擴展了經(jīng)典的宜居帶。就在一年前，他和麗莎·卡爾特內(nèi)格（Lisa Kaltenegger）(康奈爾大學卡爾薩根研究所的副教授)發(fā)表了一項研究，表明火山活動(向大氣中釋放氫氣)也可以延長恒星的宜居帶。

幸運的是，由于下一代望遠鏡的部署，這些定義將有機會被測試。科學家們不僅能夠檢驗一些長期存在的假設(shè)，這些假設(shè)是宜居帶的基礎(chǔ)，他們將能夠比較不同的解釋。根據(jù)拉米雷斯博士的說法，一個很好的例子是，CO2氣體的水平取決于行星與其恒星的距離：

“下一代望遠鏡可以通過搜尋大氣中二氧化碳壓力的預測增加來測試可居住區(qū)域，這些可能適合居住的行星離他們的恒星更遠。這也將檢驗碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)是否是一個普遍的過程。許多人認為，碳酸鹽-硅酸鹽循環(huán)使我們的星球在歷史上大部分時間都是適宜居住的?！?/p>

水世界行星想象圖。一項新的研究表明，當涉及到行星時，大多數(shù)適合居住的行星可能有超過90%的海洋。

在這一過程中，硅質(zhì)巖通過風化和侵蝕轉(zhuǎn)化為碳質(zhì)巖石，而碳質(zhì)巖石通過火山和地質(zhì)活動轉(zhuǎn)化為硅質(zhì)巖。這一循環(huán)確保了地球大氣層的長期穩(wěn)定，使二氧化碳水平長期保持不變。它還說明了水和板塊構(gòu)造對我們所知的生命是多么重要。

然而，這種循環(huán)只能存在于有陸地的行星上，這實際上排除了“水世界”。這些系外行星，可能在M型(紅矮星)恒星周圍很常見，被認為水的質(zhì)量占總質(zhì)量的50%。由于有這么多的水在它們的表面，“水世界”很可能在它們的核幔邊界上有密集的冰層，從而阻止了熱液活動。

但是正如已經(jīng)注意到的，有一些研究表明這些行星仍然可以居住。雖然豐富的水會阻止巖石吸收二氧化碳，抑制火山活動，但模擬表明，這些行星仍然可以在大氣和海洋之間循環(huán)碳，從而保持氣候穩(wěn)定。

拉米雷斯博士說，如果存在這些類型的海洋世界，科學家們可以通過它們較低的行星密度和高壓大氣來探測它們。還有各種溫室氣體的問題，這些氣體并不總是表示行星大氣層變暖，這取決于恒星的類型。

天狼星A(主序A型恒星)和天狼星B(白矮星伴星)的想象圖

“雖然甲烷使我們的星球變暖，但我們發(fā)現(xiàn)甲烷實際上冷卻了環(huán)繞紅矮星運行的宜居帶行星的表面！如果是這樣的話，這些行星上高濃度的大氣甲烷可能意味著可能不適合居住的冰凍環(huán)境。我們將能夠在行星光譜中觀察到這一點?！?/p>

說到紅矮星，關(guān)于圍繞這些恒星運行的行星是否能夠維持大氣層的問題，爭論十分激烈。在過去的幾年里，已經(jīng)有多項發(fā)現(xiàn)表明，巖石和潮汐鎖定的行星在紅矮星周圍是很常見的，而且它們在各自恒星的宜居帶內(nèi)運行。

然而，隨后的研究證實了這一理論，即紅矮星的不穩(wěn)定性很可能導致恒星耀斑，使任何圍繞紅矮星運行的行星都失去了它們的大氣層。最后，拉米雷斯和他的同事們提出了一種可能性，即在被認為是不可能的候選行星的軌道上發(fā)現(xiàn)可居住的行星。

這些將是主要的序列類型-A類恒星-如天狼星A、牛郎星和織女星，被認為太亮和太熱而不適合居住。拉米雷斯博士對這種可能性解釋說：

“我還感興趣的是，在圍繞A類恒星運行的宜居帶行星上是否存在生命。目前還沒有很多已發(fā)表的關(guān)于A類恒星的行星適居性的評估，但一些下一代的架構(gòu)計劃將對它們進行觀察。我們很快就會了解到更多關(guān)于A類恒星對生命的適宜性?！?/p>

類地系外行星的概念圖，根據(jù)新的研究，這需要在水和陸地之間達成謹慎的平衡

最終，像這樣質(zhì)疑“宜居區(qū)”定義的研究，將在下一代任務(wù)中的科學行動時派上用場。有了更高的分辨率和更靈敏的儀器，他們將能夠測試和驗證許多科學家已經(jīng)作出的預測。

這些測試也將證實，生命是否只有在我們所知的情況下才能存在，或者是否超出了我們認為的“類地球”的參數(shù)。但是正如拉米雷斯補充說的那樣，他和他的同事進行的這項研究也強調(diào)了我們繼續(xù)投資于先進的望遠鏡技術(shù)是多么重要：

“我們的報告還強調(diào)繼續(xù)投資先進的望遠鏡技術(shù)的重要性。如果我們想最大限度地增加我們發(fā)現(xiàn)生命的機會，我們需要能夠找到和分析盡可能多的宜居帶行星。然而，我也希望我們的論文能激勵人們在未來10年內(nèi)實現(xiàn)夢想。我真的相信，最終將會有比我們目前設(shè)計的任何任務(wù)都更有能力的任務(wù)。我們目前的努力只是我們物種更加堅定的努力的開始?！?/p>