什么樣的行星“宜居生命”?

楊洋

人類目前為止只知道地球上有生命的存在，但其他與地球條件類似的行星上是否也有類似地球的生命?科學(xué)家相信：在宇宙中凡是具有生命誕生條件的天體上，都有可能出現(xiàn)生命。哥白尼的理論告訴我們，我們的地球只不過(guò)是一個(gè)典型的行星系中的一顆典型的行星而已，毫無(wú)特別之處。所以要想找到地外生命，第一步是尋找與地球類似的“宜居行星”?？茖W(xué)家利用開(kāi)普勒天文望遠(yuǎn)鏡尋找的，是一個(gè)個(gè)跟我們地球世界差不多大小，在與地球差不多的繞恒星軌道上運(yùn)行的“宜居行星”，這樣行星上的溫度變化也會(huì)與地球類似。

不久前，美國(guó)宇航局已經(jīng)借助開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)首顆位于太陽(yáng)系外、處于“宜居帶”內(nèi)的行星。這顆被命名為“開(kāi)普勒-22b”(Kepler-22b)的行星體積約為地球的2.4倍，表面溫度約為70華氏度(相當(dāng)于21℃)，這是適宜生物生存的溫度，此外，這顆行星上還可能有液態(tài)水。這是目前被證實(shí)的從大小和運(yùn)行軌道最接近地球形態(tài)的行星，它也像地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)一樣每290天環(huán)繞著一顆類似于太陽(yáng)的恒星。也許你會(huì)問(wèn)，“開(kāi)普勒-22b”是“宜居行星”嗎?如果找到了“宜居行星”，那么距離找到宇宙中的另一個(gè)“地球”還有多遠(yuǎn)呢?

“宜居行星”要滿足

哪些條件呢?

首先，宜居行星必須是類地行星。太陽(yáng)系有兩類行星：一類叫類地行星，一類叫類木行星。類地是具有巖態(tài)表面，而類木呢，是氣態(tài)表面。對(duì)于地球生命來(lái)說(shuō)，類木行星不適宜居住，因?yàn)樗菤鈶B(tài)的，生命沒(méi)有落腳點(diǎn)。目前科學(xué)家還不確定“開(kāi)-普勒-22b”這顆行星的組成主要為巖石還是氣體或液體，因此不能確定它就是類地行星。如果它不是類地行星，就更談不上是“宜居行星”。

其次，這個(gè)行星必須與地球大小相似。如果行星太小，不僅會(huì)因?yàn)橐μ《勾髿馑纳⑻右?，而且還會(huì)留不住足夠的水。同樣，行星太大了也不行，因?yàn)樘蟮男行菚?huì)把過(guò)多的氫氣、甲烷和氨氣留下來(lái)，同樣使生命無(wú)法誕生或生存。

第三，它必須是在宜居帶附近的行星。

我們知道，決定地球表面溫度的一個(gè)重要因素是地球到太陽(yáng)的距離。距離太近，水會(huì)立即蒸發(fā)；反之，距離太遠(yuǎn)，水又會(huì)結(jié)冰。太陽(yáng)系共有8顆行星，只有地球上存在宜人的氣溫，使水能以液態(tài)形式長(zhǎng)期存在于地表之上。根本原因在于，地球到太陽(yáng)的距離既不太近，也不太遠(yuǎn)，接受到的太陽(yáng)輻射剛剛好，在它的表面才會(huì)有液態(tài)水存在。在行星科學(xué)中，這個(gè)距離范圍稱為“宜居帶”。天文學(xué)家計(jì)算的結(jié)果表明，如果地球的軌道比現(xiàn)在的實(shí)際軌道只要小5％的話，那么在地球形成的早期階段，就會(huì)發(fā)生無(wú)法控制的溫室效應(yīng)，就像現(xiàn)在金星上那樣，地球上的溫度會(huì)將所有的海洋都蒸發(fā)干凈。如果地球離太陽(yáng)的距離再大1％，那么地球上早在20億年以前，就會(huì)發(fā)生無(wú)法控制的冰川作用，就像現(xiàn)在的火星那樣，使所有的海洋全部?jī)鼋Y(jié)起來(lái)，地球上的溫度將會(huì)處在-50℃。在那樣的環(huán)境中，是不可能演化出任何生物來(lái)的?！耙司訋А敝感行蔷嚯x恒星遠(yuǎn)近合適的區(qū)域，在這一區(qū)域中，恒星傳遞給行星的熱量適中，行星既不會(huì)太熱也不太冷，在這一溫度可能有液態(tài)水?！伴_(kāi)普勒-22b”圍繞著一顆類似于太陽(yáng)的母恒星旋轉(zhuǎn)，這顆恒星發(fā)出的光比太陽(yáng)光弱大約25％，因此那里的宜居帶要比太陽(yáng)系里的宜居帶更靠近恒星一些。而在另一方面，“開(kāi)普勒-22b”到母恒星的距離又比地球到太陽(yáng)的平均距離近了大約15％，恰好使它舒舒服服地落在了宜居帶中。因此，如果新行星的性質(zhì)與地球相似，液態(tài)水就可以在那顆行星的地表上長(zhǎng)期存在。

“宜居行星”不一定“宜居生命”

但僅僅滿足上述條件，所謂的“宜居行星”就一定滿足有生命的條件嗎?答案是否定的。即使人類找到“宜居行星”，這顆行星的自轉(zhuǎn)角度是多少?擁有怎樣的大氣?表面由什么物質(zhì)構(gòu)成?是否擁有類似地球的陸地和海洋?還是無(wú)從得知。一些科學(xué)家認(rèn)為，我們的地球生命存在的環(huán)境是由許多偶然巧合形成的，存在太多的不確定因素，因此生命將是極其不尋常的現(xiàn)象。假如下面所述的事情有一件發(fā)生了，地球上將沒(méi)有生命。

地球?yàn)槭裁吹锰飒?dú)厚?

1.假如太陽(yáng)壽命不夠長(zhǎng)

太陽(yáng)自誕生以來(lái)已經(jīng)過(guò)了46億年。這樣長(zhǎng)的時(shí)間足夠生命的誕生和進(jìn)化。今后大約50億年，太陽(yáng)還能夠穩(wěn)定發(fā)光。如果太陽(yáng)的壽命不夠長(zhǎng)，很快就會(huì)發(fā)生“超新星爆炸”而毀滅，那么在太陽(yáng)周?chē)男行巧献匀徊粫?huì)有足夠的時(shí)間誕生出生命。

2.假如地球自轉(zhuǎn)軸的傾角不是23.4°

地球有溫和的季節(jié)變化，多虧了自轉(zhuǎn)軸有23.4°的絕妙傾角，確保了地球E即使是在最寒冷的極地和最炎熱的沙漠之間也不會(huì)存在太過(guò)極端的氣溫差。如果地球的自轉(zhuǎn)軸沒(méi)有傾角或者傾角小于50時(shí)，赤道區(qū)域?qū)⑹桩?dāng)其沖受到來(lái)自恒星強(qiáng)烈光照，兩極地區(qū)由于缺少光照變得更加寒冷，溫度不呈現(xiàn)季節(jié)性起伏，這種情況將使地球跌入世界末日：赤道異常高溫，而兩極卻天寒地凍。

3.假如沒(méi)有木星這個(gè)龐然大物的保護(hù)

地球的外側(cè)有一個(gè)巨大的木星，其質(zhì)量是地球的300多倍，而體積則是地球的1300多倍。就是把太陽(yáng)系中其他大行星的質(zhì)量加在一起，還不到木星的一半，若與地球相比，它確實(shí)是個(gè)龐然大物。恰恰就是這個(gè)龐然大物，像一個(gè)天然的屏障一樣，以其巨大的吸引力，吸走了許多本來(lái)應(yīng)該撞到地球上的大大小小的天體。有人計(jì)算的結(jié)果表明，如果沒(méi)有木星的保護(hù)，地球遭受外來(lái)天體撞擊的次數(shù)就會(huì)大大增加。據(jù)科學(xué)家研究證明，數(shù)億年前，來(lái)自太陽(yáng)系邊緣各個(gè)方向的較大彗星有許多朝向地球運(yùn)行，但是它們均被木星所抵擋，使得地球上的生命保存至今。

4.假如地球自轉(zhuǎn)速度太慢

假如地球的自轉(zhuǎn)速度比現(xiàn)在慢，結(jié)果怎樣?我們假定地球一年只自轉(zhuǎn)一周，也就是地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一次，地球也正好自轉(zhuǎn)一次。在那種情況下，地球總是以其特定的一側(cè)半球朝向太陽(yáng)，永遠(yuǎn)是白天，而另一側(cè)半球則總是背向太陽(yáng)，永遠(yuǎn)是黑夜。永遠(yuǎn)是白天的半球，液態(tài)水迅速蒸發(fā)，不久就會(huì)完全消失。蒸發(fā)的水隨空氣流動(dòng)到黑夜一側(cè)半球。由于這里氣溫低，到這里的水蒸氣會(huì)變成雪降落到地面。降下的積雪不會(huì)融化，不久便會(huì)成為冰川。那樣的地球，結(jié)果白天半球?yàn)橐黄衬?，而黑夜半球到處是巨大的冰川?/p>

5.假如沒(méi)有月球

本來(lái)，地球自轉(zhuǎn)軸的傾角也有很大變動(dòng)，不過(guò)地球有些特殊，它的近旁有一個(gè)異乎尋常大的月球，月球半徑是地球半徑的27％(1738千米)，同太陽(yáng)系的其他行星的衛(wèi)星比較起來(lái)，地球的這個(gè)衛(wèi)星的大小相對(duì)于母行星大小的比例確實(shí)大得異乎尋常。多虧有這樣一個(gè)大衛(wèi)星，地球自轉(zhuǎn)軸傾角的變動(dòng)幅度才被限制在正負(fù)1°的范圍以內(nèi)。地球自轉(zhuǎn)軸的傾角不穩(wěn)定會(huì)使其氣候頻繁變化，環(huán)境自然要比現(xiàn)在地球環(huán)境惡劣得多。

6.假如地球上的大氣中沒(méi)有氧氣

地球的大氣中有約20％的氧氣，而火星或金星的大氣基本上不含氧氣，僅從這一點(diǎn)看，地球也是非常特殊的行星。地球大氣存在氧氣，是植

物和藻類等生物進(jìn)行“光合作用”的結(jié)果。據(jù)推測(cè)，最早產(chǎn)生氧氣的生物是一種叫作藍(lán)藻的原始細(xì)菌。關(guān)于藍(lán)藻出現(xiàn)的年代目前尚不能確定，但是知道大氣中氧氣濃度是在22億年前開(kāi)始急劇上升。22億年前，那正是地球從被冰層完全覆蓋的“雪球地球”狀態(tài)解脫出來(lái)的年代，這個(gè)狀態(tài)一結(jié)束，地球大氣的氧氣濃度立即急速上升?？茖W(xué)家解釋了出現(xiàn)這種現(xiàn)象的理由：在地球完全被冰川封閉起來(lái)的時(shí)期，太陽(yáng)光無(wú)法到達(dá)冰層的下面，自然基本上不會(huì)有光合作用。不過(guò)，在那段時(shí)間，會(huì)從深海的熱液噴口源源釋放出一類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此海水中應(yīng)該含有豐富的營(yíng)養(yǎng)。所以，冰層一旦融化，原來(lái)零星活下來(lái)的那些藻類便能夠得到豐富的營(yíng)養(yǎng)快速進(jìn)行大量繁殖，活躍地進(jìn)行光合作用，從而導(dǎo)致氧氣濃度急速上升。地球就這樣變成了一個(gè)含有大量氧氣的行星。有了氧氣，生命才得以擴(kuò)張到陸地。大氣中的氧氣產(chǎn)生臭氧層，保護(hù)生命不受紫外線的傷害。

7.如果地球沒(méi)有磁場(chǎng)

太陽(yáng)不僅發(fā)光，還在不斷地向外輻射粒子(主要是質(zhì)子)，太陽(yáng)發(fā)出的這種粒子流叫作“太陽(yáng)風(fēng)”。太陽(yáng)風(fēng)對(duì)生命有害，還能夠吹散行星的大氣。太陽(yáng)風(fēng)如果直接來(lái)到地球，地球很可能就維持不住現(xiàn)在這種適宜生命活動(dòng)的環(huán)境。地球磁場(chǎng)為生命提供了安全保障。假如沒(méi)有地磁場(chǎng)，從太陽(yáng)發(fā)出的強(qiáng)大的“太陽(yáng)風(fēng)”，就不會(huì)受到地磁場(chǎng)的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)而直射地球。在這種高能粒子的轟擊下，地球的大氣成分可能不是現(xiàn)在的樣子，生命將無(wú)法存在。

8.如果地球大氣二氧化碳太多或太少

大氣中的二氧化碳，不僅通過(guò)溫室效應(yīng)，將太陽(yáng)輻射到地球上的熱量保存在地球表面，而且，也許更加重要的是，二氧化碳還作為必不可少的原料參加了光合作用，從而為一切生命的生存提供了必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是二氧化碳也是一把雙刃劍，如果大氣中的二氧化碳太多，就會(huì)導(dǎo)致過(guò)于強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，從而使地球表面的溫度過(guò)高而摧毀一切生命存在的基礎(chǔ)。二氧化碳太少呢，又會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)照射到地表的熱量大量散失，結(jié)果就會(huì)使溫度降到冰點(diǎn)以下，液態(tài)的水都變成了固體的冰，同樣會(huì)扼殺了一切生命。

9.假如地球地殼太薄或太厚

地球是怎樣保持了適當(dāng)?shù)亩趸嫉暮磕?這樣一種調(diào)節(jié)氣溫的機(jī)制之所以能夠發(fā)揮作用，是因?yàn)楦采w地球表面的“構(gòu)造板塊”在緩慢運(yùn)動(dòng)。地球不斷有火山活動(dòng)，它們發(fā)生在板塊俯沖和海底洋脊等各個(gè)地點(diǎn)。正是這些不斷的火山活動(dòng)向大氣提供了二氧化碳。如果火山活動(dòng)停止，斷絕了二氧化碳的來(lái)源，那么大氣中的二氧化碳經(jīng)過(guò)數(shù)十萬(wàn)年就會(huì)被全部消除，到那時(shí)地球就會(huì)完全凍結(jié)。因此，地殼的厚度是非常重要的，如果太厚，地殼會(huì)把大量的氧氣聚斂起來(lái)，以氧化物的形式固定在地表之下而使地球大氣缺氧。但是，如果地殼太薄，過(guò)多的火山活動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)會(huì)破壞生命存在的物質(zhì)基礎(chǔ)。

我們的地球如果不滿足以上任何一條，都不可能出現(xiàn)生命。這么多偶然的因素湊在一起，才使地球具有了生命演化和生存的條件。地球的得天獨(dú)厚是偶然性嗎?我們相信，在宇宙中，凡是具有生命誕生和繁衍所需要條件的天體上，都可能出現(xiàn)生命，因此生命不是地球所獨(dú)有的。但是，對(duì)照地球，我們發(fā)現(xiàn)在另一個(gè)星球上要出現(xiàn)生命是多么不容易的事情。

【責(zé)任編輯】蒲暉