可居住的系外行星?決定行星宜居性的九大特徵

2020-12-03 天文在線

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網友：什麼屬性可能使系外行星能夠支持生命？

回答：在我回答這個問題之前，必須澄清，我們目前對可居住性的定義只能基於宇宙中唯一已知的生命位置：地球。當然，對於所有可能的生活環境，我們還不太了解，但不加限制的猜測很快就會變得不科學。

那麼，以下是我們用來確定一顆行星可居住性的一些品質：

能源。我們需要我們可居住的星球提供能量。讓我們隨機選擇一些，比如一顆恆星。

液態水。這是我們對可居住性定義的首要要求。內部「可居住區」的定義是在失控的溫室效應發生和任何地表水變成蒸汽之前，行星可以居住的最小恆星-行星距離（稱為半長軸）。可居住區的外緣是最大的半長軸，超過這一長軸，即使是強烈的溫室效應（濃密的CO22大氣）也無法維持足夠高的地表溫度使水保持液態。液態水是一種最理想的介質，在這裡，化學物質可以有效地進行遷移，使複雜的有機體得以發育。

圖解：藝術家顯示在銀河系內的恆星有行星環繞著是多麼普通的現象。

大氣層。沒有大氣層，行星就不能運輸熱量，也不能保護生物體免受危險的輻射和粒子的傷害。此外，大氣顯然是生物體獲得代謝反應所必需的原子和分子的必要條件。這也發生在液態環境中，但仍然需要行星大氣。如果沒有大氣壓力，以及直接暴露在恆星輻射下，海洋就會蒸發。

圖解：2013年1月2日：天文學家估計銀河系可能包含多達4,000億顆系外行星，這幾乎是每一顆恆星都有一顆行星。

磁場（可能）。這實際上比你想像的要難理解。通常，我們認為磁場是保護大氣免受帶電粒子和大氣侵蝕的東西。這似乎仍然是事實，但故事是不完整的。金星沒有特別強的磁場，但它有一個非常厚的大氣層。這意味著，一個具有一定成分和密度的大氣可以保護自己免受過多的粒子逃逸，但這些類型的大氣似乎並不十分適宜。目前，我們仍應把磁場視為生命發展的重要因素。無論如何，這不是我們目前能用系外行星研究的，因為在如此小的、遙遠的天體周圍，磁場仍然無法探測到。

圖解：太陽系與巨蟹座55行星系統的比較圖。

一顆長壽的星星。生活需要時間來發展。如果你有一顆行星圍繞著一顆大質量恆星，那麼恆星可能會，也可能會，在行星上的條件變得適合居住之前死亡。地球花了大約10億年的時間，地球表面和太陽系才平靜下來，足以產生單細胞生物。持續不斷的轟擊和全球性的地面遊戲是熔巖，這意味著它是一個相當不友好的地方，任何種類的有機體。即使在那之後，多細胞生物的發展又花了29億年。我在前面提到過，我將再次提到m矮星是尋找可居住世界的最佳候選恆星。其中一個原因是它們的壽命非常長，大約在100億到數萬億年之間。

圖解：內太陽系和系外行星HD 179949 b、HD 164427 b、Epsilon Reticuli ab、及Mu Arae b軌道的比較圖。（所有母星皆在中央位置）

低紫外線輻射環境。關於這件事有很多話要說，但我會保持簡潔。強烈的紫外線和x射線輻射對大氣（光化學分解、蒸發）、地表水（海洋蒸發）和生物體（癌症等）有害。因此，一顆恆星周圍有強烈超紫外線輻射或耀斑的行星在可居住性方面會有一些問題。這對m矮星來說是個壞消息，因為它們在電磁頻譜的這個區域非常活躍。然而，隨著年齡的增長，m矮星超紫外線的活動稍微平靜下來（自轉變慢，磁場減弱，耀斑變得不那麼強烈/頻繁），因此年齡較大的m矮星周圍的宜居帶巖石世界有更好的宜居性機會。

圖解：由威爾遜山天文臺1.5米望遠鏡上的旋風星冕儀（Vortex coronograph）拍攝HR 8799（飛馬座V342）的三顆行星影像。

缺乏氣態巨行星。這和最後一點一樣，不是行星本身的屬性，而是因為它是重要的，所以請接受我的觀點。很長一段時間以來，我們都認為木星是我們的朋友，保護我們遠離文明終結的太陽系外天體。事實證明，氣態巨行星更可能把這些物體直接送到我們身邊，而不是偏轉和保護。除此之外，矮行星系統中的大質量行星（最有可能是我們發現可居住行星的地方）可以通過在許多軌道上提供足夠的潮汐幹擾來擾亂較小巖石行星的形成，而核心吸積星體的形成是不可能發生的。所以我們認為，在擁有氣態巨行星的行星系統中，宜居性是不太可能的。

圖解：利用凌日法偵測系外行星，下方的線圖代表不同時間地球所接收到的光量。

自轉。這有兩個原因：第一，保持強磁場很重要（見上文）。其次，1:1（每軌道一次旋轉）潮汐鎖定的行星存在大氣環流問題。地球的一邊非常熱，另一邊非常冷。對於厚厚的大氣，熱量仍然可以循環，你可能適合居住的區域接近晝夜明暗界限。對於稀薄的大氣，可能發生的情況是，大氣氣體在白天被加熱，在夜間循環，然後結冰。這將一直持續到所有的大氣都被凍結，在夜間沉澱下來。

低軌道偏心率。軌道越圓越好。一個高度偏心的軌道意味著這顆行星花了一段時間非常接近恆星，接受了大量的能量。剩下的時間花在更遠的地方，失去了空間的能量。行星的環境越穩定，生命就越有可能在不需要適應複雜的季節變化的情況下發展。

圖解：畫家筆下的脈衝星PSR B1257+12行星系統

板塊構造學。這一點不太明顯，在我們真正希望了解的系外行星的名單上也很落後。簡言之，板塊構造為地球表面提供熱量和能量，在化學混合以及潛在的重要放氣過程中也發揮著重要作用。有時這並不偉大（地球上的生命不希望火山噴發灰燼和二氧化碳），但它也可能是一種機制，水、氧和重元素可以通過這種機制進入地表。

這些是我們在討論行星宜居性時評估的最明顯的因素。我建議用腳註來更深入地研究這些概念。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. 倪瑜瑤- forbes

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