類地行星真的“類地” 嗎？

科學家發現了許多系外行星，但是它們真的“適宜居住”、“類似地球”嗎？這些令人困擾的科學報道，是時候撥亂反正了。

2013年對于系外行星來說意義非凡。人類的新發現和深遠的洞察力著實進一步推開了通向其他世界的大門。

在2012年里，我們收集到了大量關于地外行星及其多樣性的數據。最終，我們似乎也證明了，與我們相鄰的恒星——半人馬座阿爾法B星確實存在至少一顆與地球類似的行星。不管從什么評判標準來看，這都是一個巨大的收獲。

但是，我一直不知道該如何看待類似于“適宜居住的世界”，“類似地球的行星”這樣的說法，這似乎也困擾著許多科學報道。考慮到地球已經繞太陽旋轉了大約45億圈，我覺得是時候撥亂反正了，因為我覺得除了單單尋找第二個地球以外，我們應該有更多的追求。

首先，當媒體聲稱發現了一個“適宜居住的世界”時，實際情況卻遠比這復雜。天文學家和天體生物學家傾向于使用“適宜居住的”這一術語，來簡潔表示星球表面可能存在液態水，暗示該星球的溫度處于水的冰點和沸點之間。這同時要求星球表面有足夠的大氣壓力，使得水以液態形式存在而不揮發；還要求有一個大氣層，可以調節照向星球表面及從星球表面反射的輻射之間的轉化，這一般是通過溫室效應來實現的。

但這才算剛剛開始。從以上的標準看，地球也只能說是“部分適宜居住”：地球表面大約85%的區域常年存在液態水（我和我的同事戴維·施皮格爾，克里斯汀·梅努幾年前反復說過的一個事實）。所以，嚴格意義上的“適宜居住”也包括了一系列嚴酷的環境，譬如說高壓、高溫氣候以及亞寒帶地區稀薄的大氣。

如果把2012年發現的系外行星稱為“適宜生存的”或者“可能適宜居住的”，那就有問題了：我們現在不僅沒有星球表面或者大氣中是否存在水的相關信息，也不知道那邊的地質歷史或現狀。地質物理學則是塊敲門磚，在這里起著微妙的作用。地球表面長期（以百萬年計）接近于“適宜居住”的穩定環境，正是地質循環的結果，我們稱之為“碳硅循環”（Carbon-Silicate Cycle）。通俗地說，就是沒有火山和地質構造，我們就沒有適宜的氣候。

雖然這并不意味著這些地外行星不可能處于這一最佳狀態，但這樣說還是為時過早。

當然，對于“類似地球的”這個詞漫不經心的使用喚起了種種圖像，把我們帶到了另外一個極端。這個詞讓我們覺得那些系外星球上也有海洋、沙灘、山脈、大漠、森林、蓬松的白云、柔軟的兔子、夏日和寒冬、酒吧，以及喧鬧的露天集市。

然而，這完全曲解了科學家賦予這個形容詞的意思。它可能只是意味著一顆有著巖石表面的星球，而不是一個被厚實大氣層所籠罩的世界。這個詞也可以意味著這個星球和地球有著相近的質量和密度，或者說它是一顆繞著像太陽一樣的恒星旋轉的行星，或者我們只是已經厭倦于說一些類似于“兩倍地球質量物體在近圓軌道上繞著一個與太陽質量相似的、年齡大約40億年的主序星旋轉”這類話，而用了“類似地球的”這個形容詞。

雖然這在某些程度上只是和語義有關，我還是覺得應該認真對待。我相信，當我們提到“類似地球”的時候，它背后的意思就是這個行星與地球是基本等同的。也就是說，雖然這個星球對于人類來說是完全陌生的，它的許多物理和化學特質卻與地球非常類似。這有點像你在機場租車之前預約了一輛紅色敞篷跑車，但卻被告知已經沒有了，但是你可以租一輛“基本一樣的”汽車。這輛車有輪胎，有引擎，如果你愿意的話，也可以一路都開著窗。

這一點很重要，因為我們知道，2012年發現的系外行星之間有著顯著的不同，而我們太陽系的結構和成分有點（只是有一點點）特殊。譬如說，我們的行星姊妹中沒有一顆質量處于地球和海王星之間，而具有這種特征的行星總數量卻是最多的。其他恒星系統中有許多這樣的行星，而我們的太陽系里一顆也沒有。

我們的太陽系還比較稀疏，而且越來越多的觀測顯示，我們的宇宙“喜好”構建緊密的軌道結構，眾多行星的公轉周期只有幾天到幾周。而且，與太陽系相比，大部分行星系統似乎都經歷過一場劇烈得多的“動態重排”或“動態冷卻”的過程，在大行星的高橢圓軌道上留下了不可磨滅的印記。

這只是冰山一角。雖然我們目前還不太了解系外行星的元素組成和化學成分，但我們確實知道原始行星環境的成分和狀況的差異。我們還懷疑，每個行星世界的成長之路都充滿了大量的隨機事件——行星構建的過程有著高度的隨機性。

這似乎讓人有點兒沮喪。畢竟，尋找類似地球的行星——宇宙中另一個可以棲息生命的家園，常被認為是系外行星科學的最終夢想。但是，如果每一個星球都是獨一無二的，那就沒有和地球完全一樣的行星了。同時，如果一系列苛刻的條件對于生命是至關重要的，那尋找第二個地球的前景也將不容樂觀。

然而，宇宙中的化學似乎與我們發源地（地球）的化學原理幾乎相同。含碳分子彌漫于整個宇宙，不管是在稀疏的星際空間，還是在形成原始星系的氣體云中，有機化學都起著重要的作用。

化學的作用也滲透于太陽系中保存在碳質球粒隕石和彗星成分中的遠古材料里。35億—40億年前，地球上的生命得到了快速發展，它們迅速進化成為全球范圍內相互連接的化學網絡，很好地保存了對于代謝和生存至關重要的基因藍圖——行星核心基因組。

雖然我們還并不知道，到底有沒有類似地球的行星存在，我個人的觀點是這樣的：也許外太空可能根本就沒有“類似地球的”行星存在，但是，會有與地球“基本等同的”行星世界——陌生但適合生命存在。

只有從宇宙和陸地生物化學的組成元素，即化學成分的角度去判斷，才會認為地球有什么特別之處，這實在有些牽強附會。碳化學主宰著一切，可以想象，40億年前的地球與現在有著天壤之別，而生命仍然蓬勃地發展了起來。這一過程一定也能在其他星球上重演。

因此，我們不一定要期待尋找到另一顆“類似地球的”行星，而應該期待發現各種各樣與地球“基本等同的”行星。我覺得，人們一定都希望能了解其他星球上復雜而激烈的分子進化吧。（作者：迦勒·沙爾夫（Caleb Scharf）是哥倫比亞大學天體生物學中心的主任；翻譯：沈添懌）

發表于 2014-06-14 00:00
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