滿足什麼樣的條件，「比鄰星b」才能算是一顆真正的宜居行星？
或許這正是我們期待的那顆行星。
比鄰星周圍有一顆潛在的宜居行星。Hubble ESA / Flickr
幾年前，一個科研團隊發現了首顆大小和地球相近的系外行星——開普勒186f。而筆者，正是這個團隊的成員。這顆行星在「氣候宜人」的主星「宜居帶」中運行，這意味著液態水有機會在它表面流淌。它的太陽——開普勒186是顆昏暗的恆星，離我們很遠——假如我們想要在那裡定居，似乎冷了一點——但那仍是個在理論上可能有生命存在的地方。所以開普勒186f還是被當成了「最佳候選宜居世界」的一員。
開普勒62f、格利澤667Cc和開普勒452b的情況也是一樣。它們都是十分有意思的行星，但總有一些地方不盡如人意：要麼主星太暗，在近十年中，人類還沒有能力對它們進行細緻研究；要麼自身太大，讓人搞不清楚它們究竟是岩石行星——還是濫竽充數的「迷你海王星」。而現在，新的標杆來了，它的名字叫比鄰星b。這個行星幾乎擁有人類理想中「地球2.0」身上應該具有的一切：只比地球稍大（質量只比地球大30%。它確切的軌道幾何學特徵，使其仍有再大一些的可能）；幾乎可以肯定，這是一顆貨真價實的岩石行星；而且它也位於其主星的宜居帶。
當然，最好的消息，是比鄰星，也就是這顆行星的主星，就在我們「身邊」，離我們只有4.3光年（比開普勒186f要近130倍），是離太陽最近的單一恆星。全球的天文學家開始對它垂涎三尺。因為近十年內，我們將有能力給它拍張照，尋找生命的線索。正在智利建造的歐洲極大望遠鏡，是個直徑39米的大傢伙，2024年當它建成後，有望看到來自這顆行星的光。這台望遠鏡有能力給比鄰星b單獨照張相——而無需再用間接的方法來確認它的存在（這是我們發現它的方法）。這將為天文學家帶來極好的機會，來直接探測比鄰星b的大氣和地表。我們將有能力在比鄰星b上尋找水存在的跡象，甚至是（地表）生命存在的跡象。
半人馬座眾星：半人馬座阿爾法（左）和半人馬座貝塔（右）。半人馬座比鄰星是紅圈中的一顆昏暗紅色恆星。Skatebiker / Wikicommons
比鄰星b的發現，將會推動一些深層研究的發展。筆者在這裡只談兩個方面。這兩個方面都和比鄰星b是否真正宜居有關。雖然這並不意味著筆者想定居比鄰星b，但是從中我們還是可以看到樂觀的理由。
比鄰星b和地球的最大不同是它們的太陽：它們的發展史截然不同，未來也大相徑庭。我們的太陽是一顆明亮的淡黃色恆星，它會在50億年後變成一顆充滿敵意的紅巨星，把地球的軌道吞併掉。而半人馬座比鄰星是一顆燥動的紅矮星，質量只有太陽的10%，亮度只有太陽的1/700；這顆恆星會在未來40000億年中逐漸平靜下來，並一直照耀著它身邊的行星——比鄰星b。雖然地球和比鄰星b從它們主星那裡接收到的能量總量相近，但在比鄰星身邊生活更具挑戰性——生活在比鄰星身邊，就如同生活在充滿暴力的內城；而生活在太陽身邊，就好比生活在平靜的郊野。比鄰星b的軌道直徑只有地球的5%，比鄰星b上的一年只相當於地球上的11天。
這是我們期待的那顆行星。
假如時光倒轉。在地球完全定型的那一天（這用去了大約1億年時間，期間發生過許多次碰撞），我們的太陽已經進入了平靜的「主序」階段，向外的熱學壓力和向內的引力達到了平衡。比鄰星b的形成可能比地球要快得多——大約只需幾百萬年時間——而它的主星用了大約幾億年時間才進入主序，在此之前，這顆恆星要比今天亮得多。隨著這顆恆星的逐漸平靜，它的宜居帶才逐漸向內移動，到達比鄰星b今天所在的位置。這意味著比鄰星b曾在熾熱的宜居帶之外呆了大約1至2億年時間！
一顆岩石行星，在經受過此等烘烤之後，原本也許可以維持生命的「地球」，也會變成一個乾燥而不宜生存的金星。這在比鄰星b身上是否發生過？筆者所在的團隊，在研究中模擬過這個過程。結果發現，在進入宜居帶之前，比鄰星b可能會蒸發掉的水量，相當於一個地球的全部海洋。不過水也有可能會被鎖在地幔中；以地球為例，地幔中的水量可能在0.3至10個海洋之間。假如我們海洋中的水一下子全部消失，那麼火山噴出氣體中的水仍會在一定程度上對此加以補充。
但是我們不知道這顆行星最初有多少水。因為我們不知道這個「太陽系」形成的細節，而這決定了行星的含水量。這顆行星有可能一開始比地球乾燥，有可能一開始比地球濕潤，也有可能一開始和地球的含水量相當，這都是合理的。比鄰星b可能曾經擁有兩個地球海洋的水量，後來只剩下了一個；有可能曾經擁有100個地球海洋的水量，後來剩下了99個；也有可能曾經擁有半個地球海洋的水量，最終變得一滴水都沒有。對此，我們一無所知。
如果我們假設，比鄰星b在進入宜居帶時留下了一定量的水和大氣，那麼這顆行星會產生什麼樣的氣候？
筆者的科研團隊對不同條件下的比鄰星b進行了全面的3D模擬。比鄰星b上的氣候至少取決於三大因素：行星表面的水量，溫室氣體的含量（以二氧化碳為例），以及行星的自轉方式。這三大因素的搭配，會產生一系列不同的氣候模式。
地球的自轉速度其實是相當快的——它一年能轉365次。而比鄰星b和它的主星相當近，潮汐效應導致它的自轉只有兩種可能。它有可能處在同步自轉模式中，也就是它的一面永遠面朝著恆星，就像月球的一面永遠面朝地球一樣；也有可能處在共振自轉模式中，每兩次公轉完成三次自轉，就像水星那樣。這顆行星的自轉模式只能是這二選一，但究竟是哪種，我們並不知道。
假如一顆同步自轉的比鄰星b擁有平均厚度超過10米的水層，那麼其晝半球也會有湖泊出現，甚至會存在全球性海洋。其表面也可能會被冰層覆蓋，而這取決於它大氣層的密度。在這種情況下，只有行星「熱點」附近的冰層會融化，形成局部海洋，進而把整個行星變成一個冰凍的「眼球」。
比鄰星b是一顆「眼球行星」。動畫演示了比鄰星b面朝和背對恆星兩側溫度的分布情況，此例假設比鄰星b擁有一個全球性海洋，且有一個和地球成份、密度相同的大氣。Martin Turbet / LMD
假如比鄰星b並不是同步自轉的，那麼它表面最熱的區域會出現在赤道附近。假如它的水量不多，那麼赤道附近會出現湖泊；假如它的水量較大，那麼在赤道附近會出現全球性海洋。假如大氣稀薄，那它就會有極地冰蓋。假如比鄰星b未處於同步自轉模式，那麼它很容易發生全球性冰凍（永久冰河期），不過這種情況只會在大氣非常稀薄、水量豐沛的情況下發生。
假如比鄰星b並非同步自轉，那它表面最熱的區域會出現在赤道附近。Martin Turbet / LMD
自轉的影響：比鄰星b可能擁有的氣候模式，它們取決於大氣溫室效應的強度（與二氧化碳的含量相對應）和行星表面的水量（與全球水層平均深度相對應）。坐標上的每個點代表一種配置。Martin Turbet / LMD
所以，我們可以看到非常關鍵的一點，能夠使液態水存在於比鄰星b上的條件範圍很寬泛——但前提是其表面有水能夠從燥動的比鄰星青年期倖存下來。此外，在比鄰星b表面，妨礙其宜居性的另一個因素是，它要從其主星那裡承受比地球高出250倍的X射線和30倍的極端紫外輻射。對於一顆行星的大氣層來說，這意味著什麼？不清楚。但對於生命，或許並不是障礙。
這是我們期待的那顆行星。
本文原載Nautilus雜誌網站，作者為行星天文學家Sean Raymond，由老孫翻譯。
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