一直都被我们忽略了!寻找系外行星,关键不仅在于水

2021-01-14 10:54:09 姿势分子knowledge

宇宙中到底有没有地外生命?除了地球,还有什么样的行星适合孕育生命?

宜居带

多年以来,科学家们一直在思考这个问题,并且罗列了一些决定行星能否孕育生命的重要因素。在这个列表中,首要的自然是液态水,因为有了液态溶剂,才能够支持更多的化学反应,尤其是一些生物化学反应,这对于生命来说至关重要。尽管科学家也在思考其他可能的优质溶剂,但目前看来,水依然是最佳选择。

如果想要液态水,那么一颗行星就要处于0℃-100℃之间。当然,考虑到大气压的不同以及行星的昼夜、季节变化,这个范围并不完全精确,但是基本上一颗行星表面的最高温度在0℃-30℃之间是比较合适的。

为了保证这样合适的温度,行星和宿主恒星的距离就非常关键了。根据恒星本身温度的不同,在它的周围会有一个范围能够保证行星拥有合适的温度,这个范围就是我们通常所说的宜居带,西方人又称之为金发姑娘带

可是,在寻找恒星宜居带的同时,科学家们突然意识到,还有一个因素同样至关重要。他们发现,与其在一颗恒星周围寻找宜居带,不如在宇宙中寻找宜居恒星、也就是西方人所说的金发姑娘星。这是怎么回事呢?

金发姑娘星

我们知道,在宇宙中,并不是所有的恒星都和太阳一样。有一些恒星非常巨大、温度也极高,比如O型恒星B型恒星等,也就是所谓的蓝巨星;还有一些则体积较小、温度也很低,代表恒星就是M型恒星,亦即红矮星

对于蓝巨星来说,它们的寿命普遍比较短,而且温度太高了,对于生命来说恐怕不太合适;红矮星温度相对较低,同时寿命足够长,给行星提供了足够多的孕育生命的时间,但它们的辐射又很强,这对于周围的行星来说是一个致命的打击。

因此,介于二者之间的恒星,就成为了科学家心中的金发姑娘星。

我们的太阳,恰好就位于二者之间。从光谱学上,太阳属于G型主序星,也就是所谓的黄矮星。它的温度不高不低,辐射不强不弱,100亿年的寿命也给地球提供了足够长的时间来孕育生命。而我们的地球显然也很争气,发展出了繁荣的生态圈。

可是,即使面对铁一样的事实,科学家们却认为:太阳这样的G型主序星,也未必就是所谓的金发姑娘星。

K型主序星

美国维拉诺瓦大学的天文学家们在进行了分析之后认为,我们应该顺着恒星赫罗图再往前走一步,寻找比太阳更宜居的恒星,那就是K型恒星,亦即所谓的橙矮星

K型恒星介于黄矮星和红矮星之间,温度比太阳低,比红矮星高,寿命也长于太阳,而辐射强度则不像红矮星那么恐怖。因此,综合来看,K型恒星或许比太阳更加适合孕育生命。

在举办于2020年1月的美国天文学会第235次会议上,维拉诺瓦大学的天文学家和天体物理学Edward Guinan介绍说:“K型矮星正处于最佳区间,其属性介于数量较少、亮度更高而寿命更短的黄矮星(G型恒星)以及数量更庞大的红矮星(M型恒星)之间。K型恒星,尤其是温度较高的那一部分,是恒星世界中最完美的。如果你想寻找宜居行星,K型恒星的丰富数量会给你提供更多找到生命的机会。”

Guinan和他的同事、同样来自于维拉诺瓦大学的天文学家Scott Engle在过去的30年时间里,一直在利用X射线和紫外线等手段对宇宙中的恒星,其观测对象既包括太阳这样的G型恒星,也包括比太阳略大的F型恒星以及宇宙中数量最多的M型恒星。而这两个波段的观测,可以帮助他们更好地判断恒星辐射对周围行星宜居性的影响。

最近,他们将自己的观测范围扩大,把K型恒星也纳入到了观测范围内。令他们兴奋的是,这个一直被他们忽略的恒星群体,反而是宇宙中最有希望孕育生命的恒星。

K型恒星的优势

和G型恒星相比,K型恒星的宜居范围相对小一点。但是,它们的数量非常多,仅仅在太阳周围100光年范围内就有差不多1000颗。

(图片说明:不同恒星的宜居范围、辐射强度、数量以及寿命对比)

另外,K型恒星的寿命也给生命提供了更多的发展机会。别看地球39亿年前就出现单细胞生物了,但是直到5亿年前,地球上才真正有复杂生物诞生。根据目前的研究,太阳的诞生已经是46亿年前的事了。也就是说,一颗行星想要孕育生命,它的宿主恒星至少要给它提供40亿年的时间。

这还不算完。随着演化进程的推进,太阳在未来会变得越来越热。据推测,再过10亿年,太阳的温度将会比今天高得多,以至于地球温度可能会超过100℃!因此,就我们自己而言,太阳真正留给地球孕育复杂生命的时间只有不足15亿年。

相比之下,K型恒星的寿命可以达到250-800亿年,这也意味着它们演化进程更加缓慢,可以给行星数倍于地球的发展时间来孕育生命。

同时,研究人员通过观测后也发现,K型恒星比红矮星要平静得多,不会有那么多恐怖的辐射和恒星辐射。因此,从辐射到温度再到寿命,K型恒星都是孕育生命的绝佳地点。至于太阳周围的地球能够孕育生命,看起来不过是小概率事件的一次奇迹罢了……

最佳候选者

他们进一步整理数据,发现了三颗K型恒星,是孕育生命的最佳候选者,分别是开普勒 442天仓五(鲸鱼座τ星)和天苑四(波江座ε)。这几颗恒星不仅属于K型恒星,而且本身就被认为有机会孕育生命,其中前两颗也都有行星被发现。

尤其是开普勒 442,光谱分类上属于K5,并且拥有一颗质量大约是地球2倍的岩石行星开普勒 442b。Guinan形容说:“开普勒 442系统就是一颗金发女郎恒星周围的金发女郎行星!”

当然了,生命的出现绝不如此简单,科学家们还需要考虑到许多因素,才能确定开普勒 442b是否能够孕育生命。不过,这一次的研究还是给科学家们提供了新的参考,帮助我们精准地确定宜居天体的范围。

同时,科学家们也举一反三,开始思考是否整个银河系也有属于自己的宜居带。随着我们找到的限制因素越来越多,确定一颗行星是否能够孕育生命的结论也将越来越精准。当结果精准到不能更精准时,答案也将浮出水面。

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