（文/ Colin Stuart）“Eppur si muove”——“但是它確實(shí)在動(dòng)”。據說(shuō)，伽利略在1633年被判為異端后如是說(shuō)，這也許是科學(xué)史上最著(zhù)名的一名話(huà)還擊。利用自己新發(fā)明的望遠鏡，伽利略看到了許多有悖于宇宙萬(wàn)物都在圍繞地球轉動(dòng)的現象，例如圍繞木星轉動(dòng)的衛星以及因陽(yáng)光照射角度變化而導致的金星盈虧——如果金星圍繞地球轉，就不可能出現這一現象。所有這一切使得伽利略引領(lǐng)了哥白尼革命，后者提出這樣一個(gè)“新觀(guān)點(diǎn)”：包括地球在內的所有行星都在圍繞太陽(yáng)公轉。
差不多4個(gè)世紀之后，我們又處在了另一場(chǎng)對宇宙認識革命的風(fēng)口浪尖之上。我們現在已經(jīng)發(fā)現了近2000顆圍繞其他恒星公轉的行星。來(lái)自美國宇航局開(kāi)普勒空間望遠鏡等觀(guān)測設備的海量信息，再加上對行星以及恒星系統運轉機制的進(jìn)一步認識，都在迫使我們重新思考另一個(gè)地心觀(guān)點(diǎn)—— 一顆能承載生命的行星看上去會(huì )是什么樣子。漸漸地，我們認識到，關(guān)于另一顆“地球”的假設似乎都是錯誤的。隨著(zhù)搜索的繼續，我們可能需要謹記，有生命的星球也許會(huì )和我們的地球完全不同。
在評估一顆行星能否承載生命的時(shí)候，很多事情我們都會(huì )想當然。首當其沖的便是，如果其他星球上確有類(lèi)似地球上的生命存在，那它們將會(huì )是碳基的生命，因為碳化學(xué)具有無(wú)與倫比的復雜性，此外還需要液態(tài)水來(lái)作為重要的溶劑。這種假設直接導致了于上世紀50年代首次被引入的宜居帶概念。它被定義為某顆恒星周?chē)试S有液態(tài)水存在的一個(gè)狹窄區域。太靠近恒星，行星上的水就會(huì )蒸發(fā)掉；而離得太遠，水則會(huì )凍結。只有在中間的“黃金地段”——既不太熱，也不太冷，正正好好的地方——生命才能蓬勃興旺。
我們的太陽(yáng)擁有著(zhù)一顆承載著(zhù)生命的行星，也就是地球。在我們的銀河系中，有3/4的恒星是比太陽(yáng)更暗弱的紅矮星，它們所能輸出的熱量相比之下要少得多。紅矮星的宜居帶會(huì )非?？拷?，近到位于其中的任何行星都會(huì )被“潮汐鎖定”：恒星的引力使得行星始終只有一側朝向前者。這一面將要經(jīng)受日光無(wú)盡炙烤和灼熱的溫度，而另一側則會(huì )在永久的黑暗中封凍——這對與生命而言絕非理想的環(huán)境。在我們的太陽(yáng)系中，已知最靠近太陽(yáng)的是水星。雖然沒(méi)被潮汐鎖定，它仍經(jīng)歷著(zhù)晝夜半球之間600℃的溫差。
正因為距離太陽(yáng)足夠遠，地球才能穩定地自轉，使得太陽(yáng)的熱量可以均勻地播撒到地球表面的各個(gè)地方。隨著(zhù)地球的自轉，它還在宜居帶中走出了一條近乎完美的圓形軌跡——不過(guò)，根據最新的研究，它比我們過(guò)去想象的更靠近宜居帶的高溫內邊界。我們非常巨大的衛星——月球則是另一個(gè)福音：它的引力確保了地球自轉的傾角只會(huì )小幅變化。把所有這些因素加起來(lái)，就為生命的蓬勃發(fā)展提供了一個(gè)誘人而穩定的環(huán)境。
于是，開(kāi)普勒空間望遠鏡于2009年3月發(fā)射時(shí)，它便有了一個(gè)目標：尋找另一顆地球。這架望遠鏡以天文學(xué)家開(kāi)普勒命名，后者在1619年率先發(fā)現了行星軌道距離和公轉周期之間的數學(xué)關(guān)系。該任務(wù)計劃工作3年也絕非巧合。地球繞太陽(yáng)公轉一周要花1年的時(shí)間，因此在一顆類(lèi)太陽(yáng)恒星周?chē)司訋е邢嗨莆恢蒙系牧硪活w相似的行星，也要花同樣的時(shí)間來(lái)做軌道運動(dòng)。3年的時(shí)間足以探測到這樣一顆行星3次從其恒星前方經(jīng)過(guò)，從而確認它的存在。
不過(guò)“開(kāi)普勒”還沒(méi)有看到這樣的天體。早在2011年，它確實(shí)就已經(jīng)發(fā)現了宜居帶中的行星開(kāi)普勒－22b，到2013年則又發(fā)現了開(kāi)普勒－61b和開(kāi)普勒－62e。但它們完全不像地球——三者都是大得多的“超級地球”。大多數模型認為，這些行星較強的引力會(huì )使它們的表面變得平坦，使水更容易吞沒(méi)陸地。陸地比水體更易升溫和冷卻，因此地球上的各大洲在調節氣候中起著(zhù)舉足輕重的作用。英國萊斯特大學(xué)的天體生物學(xué)家劉易斯·達特內爾（Lewis Dartnell）說(shuō)：“海洋行星可能更易導致氣候不穩定，所以不太宜居?！?/p>
美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的杰弗里·馬西（Geoffrey Marcy）和他的同事，還分析了由行星的引力造成的恒星所發(fā)出光線(xiàn)的變化。雖然在“開(kāi)普勒”發(fā)現的外星行星中有3/4體積大于地球，但它們的質(zhì)量完全不足以成為富含水的巖質(zhì)行星。相反，它們必定是較輕的行星，更像是迷你海王星，它們的巖質(zhì)核心被含有大量氫和氦的濃厚大氣層所包裹。馬西說(shuō)：“這引發(fā)了一種擔憂(yōu)，即在已知外星行星中占據主導的類(lèi)型可能并不適宜生命?！?/p>
此外，“開(kāi)普勒”還發(fā)現了各種各樣奇怪而不尋常的行星。例如，開(kāi)普勒－47系統擁有2顆恒星和至少3顆行星。另有一些行星有著(zhù)大橢圓形的軌道，這與太陽(yáng)系行星典型的近圓軌道有著(zhù)顯著(zhù)的差異。它們更像是彗星，會(huì )從外部冰冷的區域進(jìn)入內部較溫暖的區域。也許最意想不到的發(fā)現是開(kāi)普勒－11——我們太陽(yáng)系的微縮版，它擁有的6顆行星中有5顆到恒星的距離比水星到太陽(yáng)還要近。美國麻省理工學(xué)院的行星科學(xué)家莎拉·西格（Sara Seager）說(shuō)：“只要在物理學(xué)規律之內，一切都皆有可能?！?/p>
乍看起來(lái)，這些都不是我們所認為的生命棲息地應該具備的特質(zhì)。不過(guò)，也正是這些觀(guān)測事實(shí)促使我們開(kāi)始重新思考。馬西說(shuō)：“也許我們犯了和哥白尼時(shí)代前相似的錯誤，即認為我們是特殊的，所有宜居的行星都必須具有和地球相同的屬性?！?/p>
有意思的是，對這一觀(guān)念的改變部分源自對地球上生命更仔細的研究。在過(guò)去的幾年中，已經(jīng)發(fā)現了存在于地球深處的生物——最令人吃驚的是生活在南非最深的金礦3.6千米底部的線(xiàn)蟲(chóng)。由于科學(xué)家只研究了地下可能棲息地中的一小部分，于是達特內爾甚至在幾年前就得出了一個(gè)與我們的觀(guān)念迥異的結論。他說(shuō)：“地球深處生物圈中的生命數量，要遠遠超過(guò)地球表面我們所熟悉的生態(tài)系統?！?/p>
這對其他星球上的生命也會(huì )帶來(lái)影響。英國阿伯丁大學(xué)的肖恩·麥克馬洪（Sean McMahon）說(shuō)：“一旦地下生物圈也被考慮在內，會(huì )有更多的行星被認為是宜居的?！?013年9月，麥克馬洪??和兩位同事發(fā)表了一篇論文，研究在行星核心的加熱下地下水中存在生命的可能性。水體所處的深度越大，它就可以更好地免受外界溫度的影響，從而讓有生命的行星到恒星的距離可以進(jìn)一步加大。5千米之下的生命可以在軌道半徑是傳統宜居帶3倍遠的行星上存活。如果深至10千米，宜居帶則可以擴展到土星軌道之外——是目前類(lèi)太陽(yáng)恒星周?chē)山邮芫嚯x的14倍。
這也意味著(zhù)，我們不能排除在外太陽(yáng)系存在地下生命的可能性。在木衛二繞木星轉動(dòng)的過(guò)程中，木星作用于其上的潮汐摩擦可以融化表面殼層之下的水冰，也許由此制造了一個(gè)可供生命起源的地下海洋。
在2014年1月召開(kāi)的美國天文學(xué)會(huì )會(huì )議上，美國韋伯州立大學(xué)的約翰·阿姆斯特朗（John Armstrong）提出了另一種可以讓宜居帶位置發(fā)生變化的可能情況。地球有月球來(lái)穩定自轉軸也許是個(gè)福音，但不斷變化的自轉軸傾角未必就一定是壞事：它正好可以改變游戲的規則。他說(shuō)：“自轉軸傾角的變化可以抑制極地冰蓋的積聚，使得被反射回太空的熱量減少?！备鶕哪Ｐ?，與自轉軸穩定的行星相比，一顆搖擺的行星能夠維持液態(tài)水存在的恒星間距或許可以達到前者的兩倍。
通過(guò)觀(guān)測極冠反射星光所造成的亮度變化，未來(lái)的望遠鏡也許可以觀(guān)測到這一自轉軸傾角的變化。然而，這樣一顆行星未必會(huì )擁有類(lèi)似地球上的生命形式?！澳壳斑€不清楚，在這樣一顆氣候迅猛變化的行星上，由多細胞動(dòng)物和植物構成的生態(tài)系統會(huì )有多復雜，”達特內爾說(shuō)，“但對于地表之下的細菌而言，可能根本不受影響?！?/p>
如果宜居帶可以向遠離恒星的地方拓展，其影響將會(huì )是深遠的，因為這至少可以讓紅矮星這樣的暗弱恒星重歸賽場(chǎng)：承載生命的行星可以遠離恒星，進(jìn)而可以避免被潮汐鎖定。不過(guò)，根據過(guò)去十年來(lái)發(fā)展出的更先進(jìn)的氣候模型，即使是潮汐鎖定可能也不是太大的問(wèn)題。研究表明，如果一顆被潮汐鎖定的行星具有和地球相同的富氮大氣，那么熱量可以有效地被輸送到永久的黑夜面，形成一個(gè)更加平衡且宜人的氣候環(huán)境。
2013年，美國芝加哥大學(xué)的多里安·阿博特（Dorian Abbot）及其同事建立的潮汐鎖定行星的三維大氣模型進(jìn)一步強調了紅矮星潛在的宜居性。它提出一種誘人的可能性：在恒星固定的光照直射點(diǎn)之下，云會(huì )更加容易地形成。
云層會(huì )把更多的輻射反射回太空，這意味著(zhù)一顆陰云密布的行星可以在維持適宜溫度的情況下更加靠近恒星——向內拓展了宜居帶的邊界。阿博特說(shuō)：“這使得紅矮星周?chē)赡芤司拥男行菙盗糠艘槐??！笨紤]到紅矮星占據了我們銀河系中恒星的主導，這極大地增加了潛在宜居行星的數量以及我們找到它們的機會(huì )。
事實(shí)上，一些恒星周?chē)囊司訋Э赡苁且粓?chǎng)可以移動(dòng)的盛宴。美國加利福尼亞大學(xué)圣克魯茲分校的天文學(xué)家格雷格·勞克林（Greg Laughlin）研究表明，液態(tài)水以及生命甚至可以出現在一顆以類(lèi)似彗星那樣的大橢圓軌道運動(dòng)的行星上。在它最接近恒星的過(guò)程中，幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，它的溫度可以上升20倍——但勞克林說(shuō)，這顆行星也許完全可以承受這一點(diǎn)。雖然它赤道上的溫度如同烤箱，但在高緯度地區，熱量會(huì )迅速消散，那里的水仍能保持液態(tài)而不沸騰。同時(shí)，在此期間恒星所施加的極端潮汐力為其核心注入了引力能，為它在遠離恒星時(shí)提供了熱源。
這樣的一顆行星是否能承載多細胞生物仍有爭議：很難搞清楚光合作用生命體是否能應付這種光照大幅變化的環(huán)境。達特內爾說(shuō)：“它們將與地球上的生命大為不同，我們需要保持開(kāi)放的思維?！敝辽龠@樣的行星會(huì )更容易被發(fā)現：它們會(huì )更靠近恒星，從恒星前方經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì )引發(fā)更為明顯的恒星亮度下降。勞克林說(shuō)：“發(fā)現這些行星的概率由此可以提高10倍?！?/p>
一條一條地，我們先前建立起來(lái)的“規則”——承載生命的行星必定與我們的地球類(lèi)似——開(kāi)始分崩離析。阿姆斯特朗甚至更進(jìn)一步，認為有別于地球的行星也許更有利于生命。最近，他和加拿大麥克馬斯特大學(xué)的勒內·海勒（René Heller）一起提出了“超宜居”行星的概念，認為由一顆質(zhì)量比太陽(yáng)小的恒星和一顆質(zhì)量比地球大的行星組成的系統有著(zhù)更顯著(zhù)的優(yōu)勢——例如板塊構造活動(dòng)速度較慢，來(lái)自恒星的高能輻射也較少。
對于地球的尊嚴來(lái)說(shuō)，這可能是一個(gè)打擊。但正如幾個(gè)世紀前，我們不再認為地球是宇宙的中心，現在也許是時(shí)候不再把地球當成是宜居行星的典范了。西格說(shuō)，在尋找宇宙別處生命的過(guò)程中，我們需要保持開(kāi)放的頭腦，“如果僅局限于另一個(gè)地球，那我們只會(huì )固步自封?！?/p>
編譯自：《新科學(xué)家》，Ideal Homes
