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举个栗子:类地行星真的“类地” 吗?

日报 举个栗子 2年前 (2017-12-31) 292次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:类地行星真的“类地” 吗?

科学家发现了许多系外行星,但是它们真的“适宜居住”、“类似地球”吗?这些令人困扰的科学报道,是时候拨乱反正了。

举个栗子:类地行星真的“类地” 吗?

2013 年对于系外行星来说意义非凡。人类的新发现和深远的洞察力着实进一步推开了通向其他世界的大门。

在 2012 年里,我们收集到了大量关于地外行星及其多样性的数据。最终,我们似乎也证明了,与我们相邻的恒星——半人马座阿尔法 B 星确实存在至少一颗与地球类似的行星。不管从什么评判标准来看,这都是一个巨大的收获。

但是,我一直不知道该如何看待类似于“适宜居住的世界”,“类似地球的行星”这样的说法,这似乎也困扰着许多科学报道。考虑到地球已经绕太阳旋转了大约 45 亿圈,我觉得是时候拨乱反正了,因为我觉得除了单单寻找第二个地球以外,我们应该有更多的追求。

首先,当媒体声称发现了一个“适宜居住的世界”时,实际情况却远比这复杂。天文学家和天体生物学家倾向于使用“适宜居住的”这一术语,来简洁表示星球表面可能存在液态水,暗示该星球的温度处于水的冰点和沸点之间。这同时要求星球表面有足够的大气压力,使得水以液态形式存在而不挥发;还要求有一个大气层,可以调节照向星球表面及从星球表面反射的辐射之间的转化,这一般是通过温室效应来实现的。

但这才算刚刚开始。从以上的标准看,地球也只能说是“部分适宜居住”:地球表面大约 85%的区域常年存在液态水(我和我的同事戴维·施皮格尔,克里斯汀·梅努几年前反复说过的一个事实)。所以,严格意义上的“适宜居住”也包括了一系列严酷的环境,譬如说高压、高温气候以及亚寒带地区稀薄的大气。

举个栗子:类地行星真的“类地” 吗?

如果把 2012 年发现的系外行星称为“适宜生存的”或者“可能适宜居住的”,那就有问题了:我们现在不仅没有星球表面或者大气中是否存在水的相关信息,也不知道那边的地质历史或现状。地质物理学则是块敲门砖,在这里起着微妙的作用。地球表面长期(以百万年计)接近于“适宜居住”的稳定环境,正是地质循环的结果,我们称之为“碳硅循环”(Carbon-Silicate Cycle)。通俗地说,就是没有火山和地质构造,我们就没有适宜的气候。

虽然这并不意味着这些地外行星不可能处于这一最佳状态,但这样说还是为时过早。

当然,对于“类似地球的”这个词漫不经心的使用唤起了种种图像,把我们带到了另外一个极端。这个词让我们觉得那些系外星球上也有海洋、沙滩、山脉、大漠、森林、蓬松的白云、柔软的兔子、夏日和寒冬、酒吧,以及喧闹的露天集市。

然而,这完全曲解了科学家赋予这个形容词的意思。它可能只是意味着一颗有着岩石表面的星球,而不是一个被厚实大气层所笼罩的世界。这个词也可以意味着这个星球和地球有着相近的质量和密度,或者说它是一颗绕着像太阳一样的恒星旋转的行星,或者我们只是已经厌倦于说一些类似于“两倍地球质量物体在近圆轨道上绕着一个与太阳质量相似的、年龄大约 40 亿年的主序星旋转”这类话,而用了“类似地球的”这个形容词。

虽然这在某些程度上只是和语义有关,我还是觉得应该认真对待。我相信,当我们提到“类似地球”的时候,它背后的意思就是这个行星与地球是基本等同的。也就是说,虽然这个星球对于人类来说是完全陌生的,它的许多物理和化学特质却与地球非常类似。这有点像你在机场租车之前预约了一辆红色敞篷跑车,但却被告知已经没有了,但是你可以租一辆“基本一样的”汽车。这辆车有轮胎,有引擎,如果你愿意的话,也可以一路都开着窗。

这一点很重要,因为我们知道,2012 年发现的系外行星之间有着显著的不同,而我们太阳系的结构和成分有点(只是有一点点)特殊。譬如说,我们的行星姊妹中没有一颗质量处于地球和海王星之间,而具有这种特征的行星总数量却是最多的。其他恒星系统中有许多这样的行星,而我们的太阳系里一颗也没有。

我们的太阳系还比较稀疏,而且越来越多的观测显示,我们的宇宙“喜好”构建紧密的轨道结构,众多行星的公转周期只有几天到几周。而且,与太阳系相比,大部分行星系统似乎都经历过一场剧烈得多的“动态重排”或“动态冷却”的过程,在大行星的高椭圆轨道上留下了不可磨灭的印记。

这只是冰山一角。虽然我们目前还不太了解系外行星的元素组成和化学成分,但我们确实知道原始行星环境的成分和状况的差异。我们还怀疑,每个行星世界的成长之路都充满了大量的随机事件——行星构建的过程有着高度的随机性。

这似乎让人有点儿沮丧。毕竟,寻找类似地球的行星——宇宙中另一个可以栖息生命的家园,常被认为是系外行星科学的最终梦想。但是,如果每一个星球都是独一无二的,那就没有和地球完全一样的行星了。同时,如果一系列苛刻的条件对于生命是至关重要的,那寻找第二个地球的前景也将不容乐观。

举个栗子:类地行星真的“类地” 吗?

然而,宇宙中的化学似乎与我们发源地(地球)的化学原理几乎相同。含碳分子弥漫于整个宇宙,不管是在稀疏的星际空间,还是在形成原始星系的气体云中,有机化学都起着重要的作用。

化学的作用也渗透于太阳系中保存在碳质球粒陨石和彗星成分中的远古材料里。35 亿—40 亿年前,地球上的生命得到了快速发展,它们迅速进化成为全球范围内相互连接的化学网络,很好地保存了对于代谢和生存至关重要的基因蓝图——行星核心基因组。

虽然我们还并不知道,到底有没有类似地球的行星存在,我个人的观点是这样的:也许外太空可能根本就没有“类似地球的”行星存在,但是,会有与地球“基本等同的”行星世界——陌生但适合生命存在。

只有从宇宙和陆地生物化学的组成元素,即化学成分的角度去判断,才会认为地球有什么特别之处,这实在有些牵强附会。碳化学主宰着一切,可以想象,40 亿年前的地球与现在有着天壤之别,而生命仍然蓬勃地发展了起来。这一过程一定也能在其他星球上重演。

因此,我们不一定要期待寻找到另一颗“类似地球的”行星,而应该期待发现各种各样与地球“基本等同的”行星。我觉得,人们一定都希望能了解其他星球上复杂而激烈的分子进化吧。(作者:迦勒·沙尔夫(Caleb Scharf)是哥伦比亚大学天体生物学中心的主任;翻译:沈添怿)


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