為什麼我們時至今日還沒找到另一個「地球」
自從人類開始研究行星，他們就一直在尋找地外生命。人們曾寄希望於金星和火星，但是，它們一個太過熾熱，另一個則太過乾旱。如今，科學家把搜尋的目光投向太陽系外，希望在那裡找到一顆類似地球的行星——地球2.0。
為了縮小搜索範圍，科學家在恆星周圍定義了一個區域。處於這個區域的岩體行星，其地表可以有液態水。這個區域就是宜居區。近50年來，這個詞一直被當做科學術語使用。在還沒找到系外行星的時候，公眾從來沒有聽過這個詞。然而，自從2010年美國宇航局的「開普勒」飛船證認了一批系外行星候選者，「宜居區」忽然從學術論文中一躍而出，進入了公眾的意識中。
不過，從宜居區轉變到非宜居區的過程並不一定是平緩流暢的。在人們的腦海中宜居區成了一個可以演化出生命的區域，雖然，這並非科學家想表達的意思。類似「宜居行星」、「地球雙胞胎」和「地球2.0」這樣的稱呼更令人困惑，模糊了科學家的本意和公眾想像之間的差別。
定義宜居區
搜尋系外行星是一個新興的研究領域，但「宜居區」這個概念早在上世紀50年代就已經存在了。當時，「宜居區」指的是恆星周圍的一個區域，區域內的行星適宜生命生存。不過，到了90年代，科學家剛剛發現第一顆系外行星沒多久，一篇新發表的學術論文就賦予了這個詞現在的含義。
「1993年定義的「宜居區」指的是環繞恆星的一系列距離，處於那些距離上的岩體行星的表面可以有液態水存在。」美國賓夕法尼亞州立大學的Jim Kasting教授說。(他是那篇關鍵文章的第一作者。)
由於宜居區的位置依賴於母星的性質，所以，恆星的年齡和溫度不同，其宜居區所在的位置也不同。舉例來說， 和類似太陽的恆星的宜居區相比，溫度較低、亮度也較暗的光譜M型恆星的宜居區要更靠近母星一些。
每一顆恆星的宜居區都不完全相同。（圖片來源：ASTRONOMY:ROEN KELLY AND RICK JOHNSON）。從左至右：太陽系：我們所處的這個行星系統至今仍保持著圍繞恆星公轉的行星數目最多的紀錄。不過，未來的技術可能會打破這個紀錄。Gliese 876：這個系統有三顆巨行星，具有罕見的1：2：4軌道共振關係。即最外面的行星公轉一周時，中間的行星公轉兩圈，而最靠內的已經轉了四圈。具有這樣共振關係的組合，除此之外已知僅有一例——木星的三顆衛星：木衛一、木衛二和木衛三。Gliese 667C：在這個系統的六顆行星中，就有三顆位於其母星的宜居區內。在宜居區里，行星地表可以有液態水。Gliese 687：在這個系統中，行星與海王星質量相近，正在圍繞一顆小質量恆星，在一個靠內側的圓形軌道上運動著。天文學家發現，這類系統十分常見。Kepler-90：這個系統有七顆行星圍繞著一顆恆星公轉，因此成了最出名的系外行星系統。天文學家認為，最內側的行星是岩體行星，其餘的都是氣態行星。
宜居區有時候也叫「適居帶」，因為那裡既然有水，就不會太熱，也不會太冷。然而，僅僅因為行星的地表上可以有水流動，卻並不意味著它一定有液態水——這是一個巨大的區別。
康奈爾大學的行星科學家Ramses Ramirez是淡藍色的點研究所的建立者之一，他說：「宜居區里有大量的行星可能並不適宜居住，或者，至少其地表沒有大片大片的液態水。」
Ramirez指出，在我們自己的太陽系的宜居區里就有這樣的一顆行星--火星。這顆紅色行星身處於我們定義的宜居區內(其邊界延伸到1.7倍日地距離（天文單位）遠)。火星位於1.5個天文單位處，靠近宜居區的外邊界，但其地表卻沒有液態水。
自上世紀90年代以來，科學家一直嘗試嚴格地划出的宜居區邊界。但是，仍然沒有找到既可靠又便捷的方法，因為行星的特性影響著其地表是否有液態水。
例如，Kasting指出，岩體行星的定義本身就在不斷改變著。他說，在1993年，只有半徑約為地球半徑的兩倍，同時質量不超過十倍地球質量的行星才被稱為岩體行星。而如今，一顆半徑不超過1.5倍地球半徑的行星就被稱為類地行星了。個頭更大的行星現在被稱為海王星子類--內部有固態核的氣態行星。
行星是否有大氣，以及大氣的物質構成也能幫助我們確定，行星的地表能否留住液態水。如果行星大氣中二氧化碳和水的含量與地球大氣不同，那麼，距離母星更遠一些的行星才能有液態水。Kasting說，這個結果使得不同的研究者對宜居區的定義也不同。
「我們需要把我們的選擇系統化。」 Kasting說。
搜尋生命的跡象
現在的儀器只能告訴科學家系外行星是否位於其母星的宜居區內，以及它的個頭是否與地球相似。而這兩個因素並不是生命能夠在行星上生存的必要條件。儘管如此，在其母星的宜居區內運動的岩體行星仍有可能促使科學家對其展開深入研究。
「根據宜居區的定義，我們可以找到能夠在大氣中留下生物信號的生命形式。」
也就是那些改變了自己呼吸的空氣，以致於我們可以探測到這些變化的地表生命。科學家已經著手研究系外行星的大氣了，只是分析技術還不成熟。最先參與這類研究的是美國宇航局的哈勃空間望遠鏡--其實在它上天后沒幾年，人們就發現了系外行星。
「哈勃」趁著行星掩食其母星(即行星從母星前方橫穿而過)時研究它的大氣。母星發出的光照亮了行星的大氣，科學家藉此可以探測行星大氣的物質構成。
什麼樣的行星適宜生命居住呢?「它至少得具備生命紮根的條件，」Ramirez說。
目前，科學家正在搜尋個頭與地球相似、且大氣主要由像二氧化碳和水這樣的溫室氣體構成的行星。一般認為磁場也很重要，因為它能幫助行星留住自己的大氣。
在Ed White進行了美國歷史性的第一次太空行走之後，1965年6月，搭乘雙子座四號飛船的宇航員Jim McDivitt和Ed White在飛越佛羅里達海峽上空時，用一台哈蘇相機和70毫米鏡頭拍下了上面這張照片。（圖片來源：NASA）
另一個關鍵要素是板塊構造，麻省理工學院地球、大氣和行星學系的博士後Vlada Stamenkovic說。在地球上，地質活動有助於調節地球大氣中的二氧化碳含量。如果二氧化碳氣體過多，溫室效應將會失控；如果太少，水就全凍成冰了，地球也就變成冰球了。
「如果你真想理解宜居性，你就必須理解行星內部的運作模式，」Stamenkovic說。「板塊構造就是研究行星內部的鎖鑰。」
自我檢查
覺得這一切聽上去很耳熟？確實如此。我們的目標就是找到另一顆類似地球的行星。因為，截止目前，地球是已知唯一一個具備生命演化所需條件的行星。
但是，在尋找宜居行星的過程中，一些人認為系外行星也許並不是我們最好的搜尋目標。
「我強烈地感覺到，如果要了解系外行星，我們必須先增進對太陽系的認識。」Ramirez說。
他拿土星的衛星泰坦作例子。泰坦的表面有許多甲烷湖，如同地球上的水一樣，起著溶劑的作用。太陽系裡另外一個可能有生命的天體是木星的衛星歐羅巴。科學家認為這個「大冰塊」有地下海洋。美國宇航局計劃在本世紀20年代中期發射一個探測器去研究這個「大冰塊」。 這些天體上的生命起源與地球生命毫無關聯，它們的演化歷程能夠幫助我們理解系外行星上的生命，Ramirez說。它還可能改變宜居區的定義，讓其不那麼以地球為中心。
「在我們定義的宜居區外運動的行星可能也適宜居住，」賓夕法尼亞州立大學的Aleksander Wolszczan說。他是搜尋系外行星的頭一批人中的一個。
當然，在搜尋地外生命時， 尋找位於幾光年之外的類似歐羅巴的行星並不那麼重要，因為現在的儀器還無法探測到任何跡象。
「我們只能研究大氣，」 Ramirez說。「如果行星的表面恰好有冰殼，那就把所有的東西都封住了，生命不會破冰而出。我們的測量很可能不會得到任何結果。」
失散多年的地球雙胞胎
雖然宜居區外也可能有適宜居住的行星，但類地行星是身處宜居區內的。
最近，美國宇航局宣布在一顆類似太陽的恆星的宜居區內發現了一顆岩體行星——Kepler-452b。許多人稱它是地球的雙胞胎。不過，當天文學家把一顆行星叫做地球的雙胞胎時，他們指的僅僅是一些關鍵特徵。
2015年，美國宇航局開普勒飛船釋放了最新一批系外行星的觀測數據。上圖展示的是岩體行星Kepler-452b。科學家認為，它的個頭比地球大很多，正在圍繞一顆類似太陽、但卻比後者年老很多的恆星公轉著。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/T.PYLE）
「當科學家說到『宜居區內的類地行星，』，他們的意思是一顆位於宜居區內、個頭與地球差不多，並且可以有液態水的行星，」 Stamenkovic說。
個頭和軌道，這樣就可以了。但是，「地球雙胞胎」或者「類地」這個詞會讓人聯想起一模一樣的雙胞胎——一個有海洋、陸地和雲團的行星。「要想確定一顆行星是不是地球2.0，除了它的半徑，我們還需要知道更多的信息，」 Ramirez說。「我不會把任何行星叫做地球雙胞胎或者地球2.0，直到我們能夠確認它至少是不是圍繞著一顆類似太陽的恆星轉動，確定其上有海洋、大氣，而且我們已經發現真正的生物信號。」
從近處看，我們能找到很多跡象表明地球是一個適宜居住的行星。國際空間站上的宇航員Reld Wiseman拍攝了上面這張照片：向北看，越過古巴，就是美國的東南部本土了。（圖片來源：NASA）
行星宜居性實驗室（Planetary Habitability Laboratory）主任Abel Mendez認為，地表有植被覆蓋將會是有生命存在的另一個強烈的暗示。他說，在未來20至30年，科學家們能夠探測系外行星是否有葉綠素，這將告訴我們其上是否有植被。他還提醒說，這樣的信號也可能具有迷惑性。如果與生命演化在大氣中留下的線索不相符，它們甚至會帶來更多的問題。
Mendez認為，尋找葉綠素超出了人類技術的極限。「在這之後，我們不得不停下來，」他說。
科學家可以繼續確定遙遠的行星是否宜居，不過，我們還需要幾百年、甚至幾千年時間，才能收集到系外行星有生命的直接證據。
宇航局的開普勒望遠鏡已經證認了4000多顆新行星和行星候選者，為我們提供了充足的新研究對象。不過，據舊金山州立大學的Stephen Kane說，開普勒的主要目標之一是統計類似地球大小的行星出現的頻率，而並不打算把它們歸類為類地行星或者地球雙胞胎。Kane同時還是宇航局開普勒望遠鏡可宜居區工作團組的組長。他們對開普勒的觀測數據進行篩選，以確定哪些可能宜居的行星應該深入研究。
「開普勒從來就不是一個負責描述的任務，」Kane說。
其它儀器將幫助我們發現類地行星。宇航局的凌星系外行星巡天衛星（Transiting Exoplanet Survey Satellite）和歐洲空間局的描述系外行星衛星（CHaracterising ExOPlan-Satellite，簡稱CHEOPS）都將盯住明亮的恆星。詹姆斯·韋伯空間望遠鏡將把鏡頭拉近去觀測這些巡天給出的最佳候選者，設法對它們的大氣進行分類，揭示出其更多的信息。它還將直接給行星拍照，以求進一步地了解它們。歐洲空間局的柏拉圖探測器（PLAnetaryTransits and Oscillations of stars，簡稱PLATO）將主要研究那些位於類似太陽的恆星的宜居區內的類地行星。這些項目中的每一個都將幫助天文學家增進對系外行星的認識。在它們的幫助下，Kane估計科學家在本世紀20年代末或者30年代就能確找到真正的類地行星了。
我們的目的達到了嗎？
如果科學家目前除了系外行星的個頭和位置外什麼都不知道，那為什麼地球雙胞胎、類地行星這樣的稱呼還會不絕於耳呢?一個原因在於名字本身——具有誤導性。
「一說到宜居區，人們自然而然地就會想到那是一個適宜居住的區域。」Kane說。
但事實並非如此，行星需要滿足許多條件才能稱得上是可宜居的。而其中一些條件也很容易讓人誤解。
「我們不應該說類地行星，」Kasting說，「我們應該說，『宜居區內一顆可能的岩體行星。」
1938年，美國天文學家Harlow Shapley最初把宜居區稱作「液態水帶」（這可能是一個更恰當的名字）。即便如此，這個名字仍會讓人誤認為那裡的行星一定，而不是可能，有液態水。不少天文學家都認為即使換個名字恐怕也無補於事。「交流方面的問題應該通過教育公眾來解決。」Mendez說。「許多用語從一開始就讓人困惑。」
但是，Kane覺得這個問題還不止於此。在過去的二十年里，科學家發現了大量系外行星，引起了所謂的「系外行星疲勞症」。除非新發現的系外行星個性獨特，否則它們很難引起大家的興趣和關注。於是乎，科學家和媒體有時候可能覺得有必要掠過已知信息，而去突出不尋常的潛在特徵。
與整個天文學研究相比，系外行星學是一個新興的研究領域，並且仍在繼續成長著。
「人們想知道終極問題的答案，」Kane說。
他們想知道，除了地球，是否還有其它行星有生命，系外行星是否孕育出了文明。
不過，公眾的耐心是有限的，他們只關注答案，而忽略了我們從目前發現的系外行星身上獲取的知識。
「認識到它就是終極問題最好不過，順帶還能解答許多其它問題。」Kane說。
每一顆新發現的系外行星都為我們提供了機會，讓我們深入理解行星（包括地球）如何形成，或者太陽系如何運作。
上圖展示了最近系外行星發現中最有前途的幾顆行星。顯然，它們之中沒有一個稱得上是真正的地球雙胞胎。（圖片來源:NASA/AMES/JPL-CALTECH）
通過專門研究行星的宜居條件，Kane說，他們「在至少十年內，正在儘力做出真正的發現。」
「總有一天，我們將找到理論模型明白地顯示其適宜居住的類地行星，並測量它的大氣，」Kane說，「如果到時候大家的反應是『我們十年前不就做過了嗎?『我會很不開心的。」
原文標題：Why we haven t found another Earth. Yet.
作者：Nola Taylor Redd 原文來自：Astronomy
編譯：京晶 （編譯版權所有，未經許可請勿轉載）
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