很少有科学问题比“我们在宇宙中是孤独的吗?”数千年来，对外星生命的探索激发了人类的想象力。在首次发现一颗围绕非太阳恒星运行的行星25年之后，天文学家比以往任何时候都更接近于找到答案。

 

哈佛大学天文学家David Charbonneau说:“大多数人，如果不是所有人，在他们生命中的某个时刻都想知道其他行星上是否有生命。”“我们实际上可以回答这个问题……我们知道需要建造什么样的望远镜”才能找到答案。

 

然而，由于长期以来关于如何识别最有可能存在生命的行星的争论，这种努力可能不会那么直接。9月11日，当天文学家宣布在附近的系外行星K2 18b (SN: 9/11/19)的大气中发现水蒸气时，争论达到了白热化。

 

这颗行星的吸引力来自于它在其恒星的“可居住带”的位置——通常定义为温度适宜液态水的区域，液态水被认为是生命的关键。据天文学家报道，K2 18b甚至可能有雨云。

 

这并不意味着你应该带着雨伞离开。加州理工学院和NASA系外行星科学研究所的天体物理学家杰西·克里斯汀森(Jessie Christiansen)说:“一颗行星位于宜居带，并不意味着它适合居住。”“如果你询问100名天文学家，其中99人会说这颗行星不适合居住。”

 

事实上，在已知的192颗左右的系外行星中，除了24颗外，其余都可能是像木星这样的不适宜居住的气态巨行星。即使像火星这样的岩石行星位于宜居带，也不能保证那里有生命存在。科学家们认为，这颗红色星球存在生命的可能性是有争议的

 

那么，当你被困在地球上时，如何找到一个适合居住的星球呢?首先重新思考这个术语的定义。一些天文学家认为，“宜居带”这个术语太过笨拙，包括那些不可能适合居住的行星，而把其他可能适宜居住的行星排除在外。来自不同学科的科学家们正从矿物物理学、化学和生态学的视角来完善宜居性的概念。

 

明年，美国国家航空航天局可能会批准为寻找生命而设计的新太空天文台。Charbonneau说，也许不仅仅是用来定义宜居性的词语需要升级，而是用来寻找宜居性的设备。“我们没有合适的望远镜。”

 

不是任何行星

 

从20世纪50年代起，当天文学家们开始讨论寻找其他适合居住的星球时，他们完全把注意力放在了像地球这样的行星上。在1993年发表于《伊卡洛斯》(Icarus)杂志上的一篇论文中，宾夕法尼亚州立大学(Penn State University)的地球科学家詹姆斯·卡斯汀(James Kasting)为如今最流行的“宜居带”定义奠定了基础。“宜居带”是指温度对液态水来说既不太热也不太冷的“适居带”。但这一标准并不适用于宜居带内的所有行星:卡斯汀的模型只适用于有类地大气层的岩石行星，由二氧化碳、水和氮组成。

 

“任何类型的行星都可以在宜居带内运行，沐鸣平台登陆”但只有这样的类地行星表面才可能有液态水，日本太空探索机构的天体物理学家伊丽莎白·塔斯克说。“我们都知道这一点，因为月球和火星都在宜居带的轨道上运行，但都没有湖边隐退。”

 

早在1993年，在普通恒星周围还没有已知的系外行星，尽管已经发现了一些围绕脉冲星(一种快速旋转的恒星尸体)旋转的行星(SN: 9/3/15)。“我认为这完全是理论上的，”卡斯汀说。

 

然而，两年后，研究人员首次发现了一颗围绕类太阳恒星运行的行星。那颗行星，51帕伽西b，是一颗炽热的木星，离它的恒星太近了，不可能在宜居地带。但它标志着系外行星天文学的正式诞生。从那以后，又发现了4000多颗系外行星，还有数千颗候选行星等待确认。

 

“事情从那里开始起飞，”卡斯汀说。“现在它是一个观察领域，而不是理论领域。”

 

尺寸和表面

 

这两个关键的特征——岩石表面和正确的大气混合——经常被遗忘，因为在一颗恒星的宜居带发现了一个新的世界。但我们有理由认为，它们对一个星球的实际宜居性很重要。

 

马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心的天文学家劳拉·克瑞德伯格说，如果一颗行星的气体含量过高，大气压力和温度就会过高，使得DNA等复杂分子无法保持稳定。例如，在厚厚的富氢大气层和岩石内核之间的界面，温度可以达到2500摄氏度以上。

 

 

复杂的化学反应可能会被一种叫做“算术恶魔”的现象所阻碍。“在弥漫的、充满气体的大气中，原子相遇、反应和形成新分子可能需要很长时间。

“这两个——算术恶魔和没有表面——对于形成启动行星上生命的组成部分来说确实是坏消息，”Kreidberg说。

 

这是K2 18b的部分问题:不清楚它的表面是否有岩石。要想知道系外行星是由什么组成的，唯一的方法就是测量它的半径，通过它在恒星前面穿过时挡住的星光量，以及它的质量，通过它对恒星的引力。质量和半径一起告诉科学家行星的密度，这是组成的线索。但天文学家不能同时测量两者。

 

天文学家幸运地测到了K2 18b，它的质量是地球的8倍，半径是地球的2倍多。这意味着地球的密度与火星相似。虽然在K2 18b的大气中发现水的研究小组认为这颗行星可能是陆地和岩石构成的，但其他研究人员并不确定。

 

 

小行星一般分为两类:岩石构成的超级地球和气体构成的迷你海王星(SN: 6/19/17)。虽然比地球半径小1.5倍的行星似乎是岩石行星，但那些比地球半径大1.5倍的行星似乎大多是小海王星。K2 18b比它大得多。

 

“这绝对是毛绒绒的，”位于哥伦布市的俄亥俄州立大学的矿物物理学家Wendy Panero说。科学家们不太了解在一颗气体行星的大气层深处发现的高温高压下，行星核心的岩石会有怎样的表现。它可能是熔岩，也可能是扩散的边界，不清楚大气的终点和岩石的起点。她说:“我们对界面的材料特性了解得不够。”

 

知道一颗行星的密度也不足以判断它是否有类似地球的表面。毕竟，金星的大小和质量与地球差不多，而且比宜居带更靠近太阳一点。但是金星的大气化学物质在铅熔化温度下使其表面发出咝咝声(SN: 2/13/18)。

 

 

加州大学河滨分校的行星天体物理学家斯蒂芬·凯恩(Stephen Kane)说:“金星向我们发出了一个警告:大小并不是一切。”“那颗行星在向我们尖叫，行星的宜居性很复杂。”

 

看看区外

 

地球物理实验室的实验测试了不同的矿物在高压和高温下的作用，这可能有助于确定哪些星球适合居住(SN: 5/11/18)。

 

 

通过对物物理学的研究，沐鸣平台登陆Q554258以及关于不同类型的行星如何形成的理论，“我们可能会说，这颗行星可能更像是金星而不是类地行星，”坦佩亚利桑那州立大学的系外行星地质学家Cayman Unterborn说。

 

一些可居住的星球甚至可能在可居住带之外。土星的卫星泰坦，拥有由乙烷和甲烷组成的湖泊和河流，是太阳系中对天体生物学最有吸引力的目的地之一(SN: 6/27/19)。土星和木星的其他冰质卫星可能在它们冰冻的外壳下有生物圈，那里的条件有时允许液态水存在(SN: 5/2/14)。它们都不在太阳的宜居带。

 

位于罗利的北卡罗莱纳州立大学的行星地质学家保罗·伯恩说:“宜居带并不是可能存在生命的唯一地方。”“当它被用作寻找生命的地方时，这些细微的差别几乎无法表达。”

 

任何其他名称的区域

 

由于对宜居带的缺点感到失望，天文学家们提出了其他名称:温带、液态水区、狩猎区(因为那里是天文学家寻找生命迹象的地方)和生态圈，等等。Kreidberg建议恢复“金发区”，这是一个不那么模棱两可的选择。克里斯琴森开玩笑地提出了ECHaLWOTS区域，因为“地球表面可能有液态水”(发音为ekkulwots)。

 

塔斯克说:“你一眼就能看出为什么我们在努力寻找一种可能流行起来的替代方法。”这些术语与最初的术语有一些相同的问题:并不是该区域内的每一颗行星，无论它是如何被指定的，都将是温带或湿润的，而其他候选行星可能会因为不符合新定义而被排除在外。

因此，一些天体生物学家正试图设计一种类似宜居指数的东西，可以考虑更多的数据和特征。在最近的一个例子中，阿雷西博波多黎各大学的天体生物学家Abel Mendez从生态学中获得了灵感。

 

“天体生物学家认为很难测量可居住性，”门德斯说。“但生态学家在70年代也遇到了同样的问题，”当时美国鱼类和野生动物管理局(U.S. Fish and Wildlife Service)想出了一种方法，来衡量土地和水的开发可能会如何影响附近的动植物。该机构的生境适宜性指数提供了一种衡量方法，即考虑到有多少能源可供利用，一个特定的环境能够维持多少生物量。

 

门德斯和他的同事修改了这个指数，并于2018年在德克萨斯州伍德兰举行的月球与行星科学会议上公布了它。研究人员的方程式包含了判断一颗行星宜居性的五个变量:一颗行星接收到的星光量、行星的半径、反射率、被海洋覆盖的面积和大气密度。

 

目前的望远镜无法确定最后三个变量。“这个框架明确地告诉你应该测量什么，”门德斯这样评价他的团队的宜居指数。他认为所需的技术可能还需要10到20年的时间。

 

其他的天文学家质疑这样一个指数的实用性，因为它可能会影响到其他的宜居性因素，包括活跃的地质循环、熔融的核心、板块构造、向大气中排放气体的火山以及保护它不受恒星耀斑影响的磁场(SN: 3/5/18)。

 

这些因素在地球上也无法探测到。有些可能永远不会。

 

“你可以列一个很长的单子，”哈佛天文学家夏博诺说。“如果我无法用望远镜探测到潮汐加热的月球上是否有微生物，那也没有关系。”

 

忘记宜居性，寻找生活

 

一组被提议的望远镜可能很快提供直接寻找生命迹象的能力。

 

“如果你想确定你可以打包去那里，你需要一个生物签名”——一个生命已经改变了行星大气化学成分的标志，Kane说(SN: 4/19/16)。“如果我们发现了明确的生物特征，这意味着根据定义，这颗行星是适合居住的，因为那里有生命存在。”

 

美国宇航局目前正在评估两架望远镜的计划，这两架望远镜将能够扫描类地系外行星的天空。宜居系外行星观测站，简称HabEx，将会拍摄十来个类地系外行星围绕类日恒星运行的照片。绰号为“LUVOIR”的大型紫外/光学/红外探测器也能做到这一点，但最多只能探测100颗行星。两架望远镜都将寻找行星大气中生命的化学痕迹。

 

克里斯琴森说:“下一套仪器的设计目的是要解开这些真正类似地球的行星的大气层。”

 

尽管如此，卡斯汀说，宜居地带的概念对于设计HabEx和LUVOIR这样的项目还是很有用的。聚焦在离恒星的特定距离上，可以告诉工程师望远镜应该有多大。这两架望远镜的设计都融合了卡斯汀早期定义的2013年更新，卡斯汀的定义来自马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的天文学家拉维·科帕拉普(Ravi Kopparapu)领导的一项研究。

 

“我们很保守，试图设计望远镜来观察我们可能认识的东西，”卡斯汀说。“如果生命和我们不太一样，那就很难认识它。”

 

如果生命的迹象最终被发现，关于“宜居地带”的争论可能会逐渐消失。研究真实的外星人会让科学家有更重要的事情可谈。