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适居带

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基于不同种类恒星光度推测的恒星适居带范围
基于不同种类恒星光度推测的恒星适居带范围

适居带(英语:circumstellar habitable zone, CHZ,或称宜居带),是天文学上给一种空间的名称,指的是行星系中适合生命存在的区域。适居带中的情况有利于生命的发展,并且可能像地球般出现高等生命。[1]。有两种区域是有可能的,一个是在行星系内,另一个则存在于星系之中。在适合的区域内的行星天然卫星是最佳的候选者,这些地球外的生命有能力生活在类似我们的环境下。天文学家相信生命最可能发生在像太阳系这样的星周盘适居带(CHZ)和大星系的星系适居带(GHZ) 内(虽然天文学家对后者的研究才刚开始)。适居带也许是指“生命带”、“绿带”或“古迪洛克带”(Goldilocks[2][3]。在我们的太阳系中当太阳处于主序星阶段时,适居带为距离恒星0.99至1.70天文单位之间的区域。[4]而当太阳处于红巨星阶段时,地球将已不位于适居带内,届时地球大部分的海洋将被蒸发成为水气或逸散至太空中。

格利泽581g是人类在红矮星格利泽 581 (距离地球大约20光年)旁发现的第六颗行星。格利泽581g是至今在天文学家发现系外行星中,轨道理论上位于适居带中的著名例子。目前天文学家仅发现了十几颗行星位于适居带中,而克卜勒太空望远镜则确认了54颗行星位于适居带中。天文学家目前估计银河系至少有500,000,000颗行星位于适居带中[5]

星周盘适居带

在一个行星系统内,被相信行星必须在适居带内才能让生命产生。星周盘适居带在概念上是包为在恒星四周围的球壳状空间,所有在范围内的行星表面温度都应该能使维持液态。液态水被认为对生命是至关重要的,因为它的角色是作为生物化学反应所需要的溶剂。在1959年,物理学家菲利浦·莫里森和朱塞佩·科科尼在搜寻地外文明计画的研究论文中提到了这样的区域。弗兰克·德雷克在1961年将这个观念用德雷克方程式使广为人知。

适居带与恒星的距离,可以用恒星的光度的大小计算出来。对选定的恒星,可以用下面的方程式决定距离的范围:

此处
是以天文单位量度的适居带距离,
是恒星的辐射热发光度,和
太阳的辐射热发光度。

例如,一颗发光度是太阳25%的恒星,它的适居带距离大约在0.5天文单位的附近,而发光度是太阳两倍的恒星,适居带的距离大约在1.4天文单位。这是因为发光度遵循平方反比定律,在假设 (尤其是) 它有与地球相似的大气构造和厚度,系外行星适居带的中心与母恒星的距离,必然是有著与地球相似的全球平均温度环境。 [6]

当一颗恒星因为演化变得更亮,及发光度增加,则星周盘适居带将会随著时间往外移。生物可以存在的最大化时间,是行星轨道维持在适居带内越久越理想。[7]

大气层的组成也有重要的影响。行星的温度会受到大气层中温室气体的含量而变化。[4]

太阳系适居带

深绿色代表狭义太阳系适居带[4],浅绿色代表广义太阳系适居带[7] 。
深绿色代表狭义太阳系适居带[4],浅绿色代表广义太阳系适居带[7]

至今,天文学界仍然没有一个关于太阳系适居带范围的统一说法,这些说法主张的适居带主要介乎于0.725至3.0天文单位之间,但它们全都遭到了部份天文学家的质疑。例如,金星的轨道是位于太阳系适居带的内缘附近,但其过厚的二氧化碳大气层令到其表面温度高达462 °C(864 °F),完全不适合居住。[8]而整个月球[9]火星[10]和矮行星谷神星[11]皆位于部份说法所主张的适居带内,且火星还存在季节的变化,但它们却因大气层过于薄弱而无法在其表面保留液态水。

因此,大部份说法均指出一个星球的大气层厚度会影响其适居带位置。根据扩展适居带理论指出,一个距离恒星比地球更远的类地行星需比地球质量大,才能在其表面保留液态水。格利泽667Cd[12]格利泽581d就是能够在其表面保留液态水的系外行星的典型例子。[13][14]

关于太阳系适居带的说法
内缘(AU 外缘(AU) 年份 注释
0.725 1.24 1964年[4] 透过测量光学薄大气层和固定反照率得出。金星的远日点刚好位于适居带内。
1.385–1.398 1969年[15] 透过测量全球性冰川出现时的冰反照率得出。这个说法获天文学家塞勒斯[16]和诺夫支持。[17]
0.88–0.912 1970年[18] 根据测量金星大气层得出。拉苏尔和德贝格指出,地球在这个适居带内才能形成稳定的海洋。
0.95 1.01 1979年[19] 根据测量地球大气层成分和表面温度得出。这个说法不时被出版物引用。
3.0 1992年[7] 根据测量碳循环得出适居带外缘。
1.37 1993年[20] 根据测量云反照率的冷却效果得出。
2.0 2010年[21] 根据测量高轨道倾角轨道离心率得出。季节性液态水在这个适居带内才能出现。
0.75 2011年[22] 根据估计沙漠行星两极出现冰冠的最小距离得出。
0.77—0.87 1.02—1.18 2013年[23] 根据测量高气压得出,适居带行星的气压至少要有15毫巴
0.99 1.688 2013年[24] 根据测量失控的温室效应和失水演算法得出。只适用于大气气压和大气成分与地球相若的行星。
0.5 2013年[25] 根据估计大气成分、压力和相对湿度得出。
0.97 2013年[26] 只适用于大气气压和大气成分与地球相若的行星。

星系适居带

艺术家笔下的位于适居带内的系外卫星
艺术家笔下的位于适居带内的系外卫星

行星系在星系内的位置也是决定生命能否发展的因素,这就导出了星系适居带的观念[27],然而,这种观念最近遭到了质疑[28]

要产生生命,一个太阳系必须要足够接近星系的核心,才能有足够的重元素,让行星在形成时能够成为岩石构成的行星。重元素必须存在,因为它们是组成复杂的生命分子所必须的,例如是构成血红素是组成甲状腺激素的基础(假设铁是所有生物都需要的物质)。[24]

另一方面,太阳系距离星系的中心也必须够远,以免除像小行星彗星等天体的撞击、避免和其他恒星的近距离遭遇,还有超新星爆炸和来自星系中心黑洞等的宇宙射线[29]来自超新星的辐射对生命起源的影响还不清楚,据推测,来自星系核心的大量辐射会使构造复杂的分子更难以形成。[30]同样的,在许多较大的螺旋星系和椭圆星系的中心区域,星际气体和尘埃都已经耗尽,那些区域已经不是恒星诞生的主要场所,恒星的诞生率远较周围其他的区域为低。[31]

研究显示在重元素的含量,或是金属量,也有影响,越高的地区似乎越可能有巨大的行星在紧挨著母恒星的轨道上运转。[32]这样的行星引发的重力潮汐力会导致任何质量如同地球的行星改变轨道和表面的形状,并在生命产生之前就将其摧毁。[33]基于这些原因,星系适居带有许多不确定的因素而难以被确认。[34]而且,星球的大气层也不能太厚或太薄:太厚会形成金星般的极高表面温度,而太薄则会使行星变成火星般的沙漠行星。[35]

在我们的银河系,星系适居带被认为正缓慢的扩展至距离银河核心25,000光年(8,000秒差距) 之处,包括那些年龄在40亿至80亿的恒星。[36]而其他的星系因为构造上的不同,星系适居带可能更大也可能更小,甚至根本没有。[33]

星系适居带或GHZ就有如古迪洛克带(Goldilocks Zone,即星周盘适居带)一样,古迪洛克区这个名词源自童话故事的古迪洛克,童话中的这个女孩喜欢“既不太冷又不太热”的。天文学家詹姆斯·洛夫洛克在主张盖亚假说时将这个名词变成术语。[37]这个概念是说生命存在于-15℃(5℉)(南极洲的一种藻类Cryptoendolith)和121℃(250℉)(在深海热气孔周围活动的嗜热细菌)的温度段落中,换算成绝对温度是在258至394K,少于一个数量级的范围内。[38][39]

未来的技术或许可以让我们测量出银河系内适合地球这样的行星存在的位置和数量,能让我们对星系适居带有更多的了解。[40]

批判

适居带的观念在艾恩·史都华和杰克·柯恩两人合著的《外星人的进化》(Evolving the Alien)一书中遭到批判。基于以下两个理由:第一,假设外星人需要和地球完全一样的生活条件;第二,即使有这样假设,其他环境也可能在前述的适居带外创造出适合生命存在的区域。[41]例如欧罗巴就被认为在表面下有类似地球深海环境的海洋。尽管欧罗巴不在星周盘适居带内,但存在于地球上的嗜极生物,使欧罗巴有生命的假说振振有词。行星生物学家卡尔·萨根相信在气体巨星上,像是木星本身,可能也会有生物生活在其中。在各种不同的环境下可以发现存在著不同形式的生命,曝露出这些有限制的假说是太保守的。[42][43]

不同程度的火山活动、卫星的作用或是行星的质量都可能影响行星的辐射和热量的水准,进而改变支持生命的情况。[44]同时,若类似地球的生物能在几乎不可能是生命起源的场所,或是使用先进的技术,就能移植和适合欧罗巴的环境。那么,一颗从适居带迁移出来的行星,就非常像将生命迁移至不适合生存的场所中。

部份理论则建议地球诞生后不久,生命已于地底生存,以避开表面上的严酷环境。[45][46]而科学家亦证明了生命能在地底下生存。[47]实际上,生物学家们已于地球超过10公里的地底下发现生命。[48]因此,他们认为并非位于适居带内的行星才适合生命生存。

参考资料

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参考文献

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参阅

外部链接

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