地球并非最宜居的星球？

我們居住在最好的行星上嗎？德國數學家戈特弗里德·萊布尼茨（Gottfried Leibniz）的確這樣認為，他在1710年寫道，即使有一些瑕疵，我們的地球依然是人們所能想象的最理想的行星。萊布尼茨的想法后來被許多人嘲笑為沒有科學依據的美好幻想，這其中就包括法國作家伏爾泰在其代表作《憨第德》（Candide）中，對這種思想的嘲諷。不過萊布尼茨也許能在一些科學家中找到認同者。幾十年來，這些科學家一直以地球為黃金模板，尋找著太陽系外的宜居星球。

因為地球上的人們只知道一個有生命的世界，也就是我們的地球，因此把地球作為尋找系外生命的模版，似乎也無可厚非。比如科學家試圖在最接近地球環境的火星、木星的含水衛星木衛二（Europa）上尋找生命。不過現在，天文學家發現了一些圍繞其他恒星旋轉的、可能具備宜居性的系外行星，這些發現正逐漸改變著以地球為模板尋找宜居星球的思想。

過去的20年里，天文學家發現了1 800多顆系外行星。統計研究顯示，我們的銀河系中至少有一千億顆系外行星。迄今為止發現的系外行星中，與地球非常相似的非常少，這些行星展示出了一系列的行星多樣性：它們的公轉軌道、半徑尺寸、組成成分都有著巨大的差異，它們圍繞的恒星也千差萬別，有的比太陽小很多也暗很多。這些系外行星的多樣性特征提醒我，也提醒了其研究人員，地球可能并不在宜居星球排行榜靠前的位置。事實上，一些和地球非常不同的系外行星，可能有更高的幾率形成并維持一個穩定的生物圈。這些“超宜居星球”是搜索地外和系外生命的最佳目標。

不完美的地球

越來越深入地研究地球的宜居性，科學家漸漸發現，我們的世界并非那么理想。今天的地球上，不同地區的宜居性也有著天壤之別。在廣袤的地球表面區域，很大一部分都是不毛之地，如干旱的沙漠、貧瘠的開放海域和嚴寒的兩極。地球的宜居性也在隨時間變化，例如在石炭紀（Carboniferous period）的大部分時期，也就是大約3.5至3億年前，地球的大氣比現在更溫暖、更濕潤，而且含氧量也要多于今天。海洋中的甲殼綱動物、魚類和造礁珊瑚十分興盛，陸地上覆蓋著大片大片的森林，昆蟲和其他陸生生物的體型十分龐大。地球在石炭紀時供養的生物量，比今天要多得多，這說明比起其遠古時期，現在地球的宜居性，已經差了很多。

不僅如此，我們還知道在未來，地球將變得更加不適合生命。大約50億年后，太陽的氫燃料將消耗殆盡，并在核心開始能量更高的氦聚變過程。那時太陽會膨脹成一顆“紅巨星”，將地球烤焦。在發生這一悲劇很早之前，地球上的生命就已經走到了盡頭。隨著太陽內的氫逐漸被消耗，太陽核心的溫度會逐漸升高。這使得太陽總光度（luminosity，單位時間內輻射出的總能量）逐漸增加，每10億年大概會增加10%。這種改變意味著，太陽系的宜居帶并非恒定不動，而是會發生變化。隨著時間的推移，宜居帶距離不斷變亮的恒星越來越遠，總有一天，地球將不再處于宜居帶內。更糟糕的是，最新的計算顯示，目前地球并非位于宜居帶的中心位置，而是臨近內邊緣，接近過熱區，地球位置岌岌可危（見“當太陽變老時”）。

因此，在5億年之內，太陽的光度將增加一定程度，使地球的氣候變得極度炎熱，從而威脅到復雜多細胞生物的生存。大約17.5億年之后，光度穩定增加的太陽將令地球繼續升溫，海洋開始蒸發，那些在陸地上“茍延殘喘”的簡單生物也將滅絕。事實上，現在的地球已經度過了它的宜居黃金時代，生物圈也即將面臨“曲終人散”的結局。總體而言，現在的地球作為宜居星球，只能是剛剛夠格。

尋找超宜居星球

2012年，在研究氣態巨行星的大質量衛星的宜居性時，我第一次開始思考，一個更適宜生命生存的世界會是什么樣子？在太陽系中，最大的衛星是木星的木衛三（Ganymede），它的質量只有地球的2.5％，這么的小質量，無法像地球那樣保持住大氣層。不過我意識到，在其他行星系統里，衛星具有地球那么大的質量是可能的，這些衛星位于巨型星周圍的宜居帶內，因此可以擁有與地球類似的大氣層。

這些大質量的“系外衛星”可能是超宜居星球，因為它們可以給星球上可能存在的生物圈，提供更多樣化的能量來源。地球上的生物基本依靠太陽光，與地球生物不同的是，超宜居系外衛星的生物圈還可以從它旁邊的巨行星輻射或反射光中獲得能量，甚至從巨行星的引力場中獲取能量。當衛星圍繞巨行星旋轉時，潮汐力會把衛星的殼層反復彎曲，產生的摩擦力將從內部加熱衛星。科學家認為木衛二和土衛六（Enceladus）上存在次表層海洋（subsurface ocean），這種潮汐加熱現象或許就是次表層海洋產生的原因。對大質量的系外衛星來說，能量的多樣化可能是把雙刃劍，因為多種能量重疊在一起，微小的不平衡，就能輕易讓那個世界變得不再宜居。

另一方面，在已經確認和疑似系外行星的列表里，或許就有超宜居行星。在上世紀90年代中期，研究人員發現了第一批系外行星，它們全部是質量接近木星的氣態巨行星，而且距離它們的恒星非常近，不可能有生命存在。不過隨著時間的變化，行星搜索技術有了很大的提高，天文學家逐漸找到一些更小的、運行軌道更遠、更溫和的行星。近些年發現的大部分行星都是所謂的超級地球（super-Earth），它們都比地球重，但不超過地球質量的10倍，它們的軌道半徑介于地球和海王星之間。事實證明，在其他恒星系中，這類行星非常普遍，但是在太陽系中卻沒有這樣的行星，這使得太陽系看起來有點另類。

很多更大、更重的超級地球，它們的半徑尺寸可能暗示著，這些超級地球上存在厚重的大氣層，所以這些超級地球更像“小號的海王星”而非“大號的地球”。不過對于那些更小的、半徑是地球兩倍左右的行星，其構成也許和地球類似，包含鐵元素以及巖石，如果它們的軌道恰好位于宜居帶，那行星表面也許還有大量的液態水。我們現在知道的很多可能的巖態超級地球，都是圍繞著所謂的M型和K型矮星旋轉，這些恒星比太陽更小更暗，也更加長壽。我和合作者——韋伯州立大學的物理學家約翰·阿姆斯特朗（John Armstrong）最近開展了模擬工作，結果顯示，從某種程度上說，正是因為軌道中心的恒星較小，超級地球更適宜生命存在，被認為是超宜居星球最有力的候選者。

（作者：勒內·埃萊爾/René Heller，加拿大麥克馬斯特大學博士后研究員；翻譯：易疏序，中科院高能所粒子天體物理專業博士研究生）