發現24顆比地球還宜居的行星？都理解錯啦！到底怎麼回事？

作者：佰思科學 ｜沈東旭 邱亞明

2020年9月18日，也就是九一八事變89周年的日子（打倒日本帝國主義！勿忘國恥！），三位德國科學家Dirk Schulze-Makuch、René Heller、Edward Guinan在國際科學雜誌《天體生物學》Astrobiology上發表了一篇文章：

"尋找比地球還好的系外行星：超級宜居星球的最佳候選者"。

這篇文章的內容後來被廣泛報導，說科學家們找到了二十四顆比地球還宜居的系外行星，遺憾的是距離我們都比較遠，沒有在100光年以內的。

類似於地球的系外行星

你要是讀了原始論文就會發現，事情還沒真那麼簡單。到底有沒有比地球更宜居的行星，還真不好說呢。讓佰思科學為您做一個深入解讀吧。

系外行星

人類最早發現系外行星的蹤跡是在1988年，名字叫Tadmor（或者Gamma Cephei Ab），但這顆行星在2002年才被確認。最早被確認的系外行星名為Draugr（或者PSR B1257+12 b），時間是1992年。

Draugr想像圖

截止2020年10月，人類已經確認了4354顆系外行星，分布在3218個星系中，其中712個星系有超過一個行星。除去這些已經確認的行星，還有數千顆未被確認的"疑似"行星。

約翰尼斯·克卜勒

為了搜索系外行星，美國宇航局NASA於2009年發射了克卜勒太空望遠鏡。約翰尼斯·克卜勒是17世紀德國傑出的天文學家，發現了著名的克卜勒行星三定律。工作到2018年10月30日因燃料耗盡而退休，克卜勒望遠鏡總共找到2662顆系外行星，在目前全部發現的行星中佔了一半還多。為了繼續系外行星的搜索，NASA在2018年又發射了TESS衛星。

克卜勒望遠鏡藝術效果圖

探測系外行星有很多方法。一種常見的方法是檢查主星亮度的變化--行星經過主星之前會使主星略微變暗。不過這些細微變化受觀測精度的制約，到底是行星引起的，還是噪聲甚至假信號都不好說。因此，人們把那些由克卜勒望遠鏡找到的系外行星候選者，稱作Kepler Object of Interest，前綴為KOI，後面加上一個序號。

TESS衛星藝術效果圖

還有一種方法是直接拍照片。人類第一張系外行星照片拍攝於2004年，名為2M1207b，距離地球有230光年。

人類第一張系外行星（左下角紅點）照片

為了更好地搜尋系外行星，NASA還策劃了一個Starshade方案。由於系外行星很暗，很容易被掩蓋在主星的光芒中。Starshade的思路是在太空中張開一個傘狀物體，擋住主星的光芒，就能更好地拍攝系外行星的照片了。

Starshade概念圖

目前發現的系外行星大多數都在銀河系內，最遠的行星有大約3萬光年之遙。最近幾年還有科學家宣稱在銀河系外也發現了行星的蹤跡。因此，系外行星是一種非常普遍的存在。有人估計，銀河系裡像地球這樣宜居的行星可能有上百億顆之多。

Starshade的工作原理

宜居的標準

1、什麼叫宜居

首先，不能把宜居和有沒有生命混為一談。行星的宜居性是從人類自身的生存條件引申出來的；外星生命未必不能出現在不宜居的星球上。外星生命甚至可能都不是地球上的這種碳基生命。同樣的，宜居星球也不能保證有生命的存在。因此，研究星球是否宜居完全是從人類的角度出發--那些宜居的星球或許未來可以成為人類的家園。簡單來說，宜居行星就是那些生存環境類似於地球的行星。

類似於地球的行星

2、距離主星距離

所謂的宜居，最核心的一條是行星上要有液態水。為此，人類定義了宜居帶的概念，即在主星附近的一個範圍內，允許行星上有液態水的存在，這個區域就叫做宜居帶。宜居帶距離主星不能太近，也不可太遠--太近會太熱，液態水會蒸發；太遠會太冷，水都凍住了。

行星的宜居帶概念

天文學家將地球到太陽的平均距離定義為天文單位（AU），約為1億5000萬公裡。宜居帶與主星的距離與主星的發光強弱有關，光越強則越遠，反之則越近。太陽系的宜居帶大致在金星（距離太陽0.72AU）之外，火星（距離太陽1.52AU）之內的區域，具體的距離有很多種估算數據，常見的範圍在0.9到1.5AU之間。

3、行星大小

作為一顆宜居行星，必須是巖石行星，不能是木星那樣的氣態行星，否則沒有陸地人類難以生存。同時，這顆行星既不能太大，也不能太小。

海王星與地球對比（海王星為17倍地球質量）

假如太大，會有很濃密的大氣層，很容易變成像金星那樣，由於溫室效應造成表面溫度很高。如果質量再大，甚至會像海王星那樣，氫氣無法逃脫行星引力而在大氣中含有大量的氫氣，形成小海王星。因此，宜居行星的質量不應超過2倍地球，或再保守一點，不能超過1.5~1.6倍地球質量。

地球和火星大小對比

另一方面，行星也不能太小，假如太小的話，就會像火星那樣留不住大氣，最後形成一個稀薄的大氣層。因此行星的質量也不能太低，不應低於地球的七成。

4、行星溫度

地球現在的平均溫度大約是15℃。宜居星球的溫度應該在當前地球平均溫度上下十度之間。最理想的情況是比地球目前的溫度略高，大約相當於地球上石炭紀時期的溫度。

地球石炭紀時期

地球石炭紀時期溫度比現在高約5℃，氧氣含量也更高，因此那時候的生物比現在個頭要大。巨大的蜻蜓能長到80釐米長。

石炭紀時期的蜻蜓與人類對比

5、主星類型

主星類型對宜居性的影響是非常大的。首先，主星不能太大，最好不要比太陽大多少。太陽屬於黃矮星，質量在0.8到1.2倍太陽質量之間的恆星都屬於黃矮星。黃矮星的壽命大概在100億年左右，時間足夠長，對生命的進化比較友好。黃矮星也被稱作G型主序星，G dwarf star。

恆星的分類

假如恆星比黃矮星更大的話，則發光更強，同時壽命更短，對生命的長期存續是不利的。比如夜空中最亮的天狼星，質量是太陽的兩倍，壽命只有10億年。

天狼星與太陽對比

比黃矮星略小一點，在0.8到0.5倍太陽質量的恆星，就是橙矮星，也叫K型主序星，K dwarf star。橙矮星的亮度比太陽稍暗，但壽命長不少，大約150億到300億年。

太陽與比鄰星對比

比橙矮星再小的，就是紅矮星了。距離太陽最近的恆星比鄰星，就是一個紅矮星。但紅矮星的宜居情況比較差，主要是發光能力太弱，宜居帶距離主星太近，因此會造成潮汐鎖定的現象。所謂的潮汐鎖定，就是行星用固定一面朝向主星，就像月亮總是一面對著地球那樣。

月球總是以固定的一面朝向太陽

此外，紅矮星還會爆發強烈的恆星耀斑，破壞大氣層中的臭氧層，從而使紫外線直達地面，直接殺死地面生命。要想了解紫外線對生命的傷害能力，想一想紫外線滅菌燈就明白了。總之，宜居主星只有G和K兩種矮星，其他的可以不考慮了。

系外行星的宜居程度

三位科學家在論文中列出了八條"超級宜居"條件，分別是：

a、環繞K型主序星（作者認為K型比G型壽命長，更優越）

b、大約50-80億年的年齡，很可能已經演化出了生命

c、1.5倍地球質量，1.1倍地球直徑

d、平均溫度比地球高5攝氏度

e、大約25~30%的含氧量

f、有分散開的水面和陸地

g、有一個大月亮（1~10%的行星質量），距離行星10~100行星半徑

h、有板塊活動並擁有磁場

以當前的天文觀測能力，能獲得的信息只有前四條，其中平均溫度可以通過算法進行估算，而第5到8條是無法知道的。

三位作者對4500多顆行星的資料進行了歸類，要注意的是這4500多顆行星中包括了很多沒有被確認的行星，詳見下圖。圖中橫軸是行星到主星的距離，單位為AU；左邊的縱軸是主星的質量，單位是太陽質量；右邊的縱軸是恆星表面溫度。此外，圓點的粗細代表了行星的直徑。兩條黑線之間的區域就是宜居帶。顯然，能落到宜居帶的行星並不多，大多數落到了宜居帶以外。

下圖是把之前圖中虛線框裡面的部分放大之後得到的。這個區域是主星質量在0.6到1倍太陽質量之間的情況。再考慮到行星質量不能太大或者太小，因此將尺寸比較合適的行星進行了標註，總共有24顆，這就是所謂的24個超級宜居行星的由來。

這24顆行星是不是真的超級宜居呢？讓我們再來看看詳細的數據。下面的表格是作者將這24顆行星的詳細數據進行了羅列。表中KOI是行星序號；dist是到地球的距離，1kpc相對於3300光年；M/M⊙是主星與太陽質量的比值；Age是年齡，單位為十億年；Porb是行星圍繞主星運轉的軌道周期，單位是天；R/R⊕是行星與地球直徑之比；a是到主星的距離，單位為AU；最右邊兩列的溫度值是用算法計算出來的，可以認為是行星平均溫度的上下限。

二十四顆超級宜居候選行星數據

單單從溫度出發，這些行星之中只有最右邊溫度加灰的那五個比較合適--其他的溫度要麼太高，要麼太低。最合適的兩個分別是KOI5819.01和KOI5554.01，它們的主星跟太陽很像，分別是太陽質量的0.87和1.02，直徑跟地球差不多，溫度跟地球也差不多；另外三個雖然溫度不是很差，但行星體積有些過大，而行星太大造成的問題之前已經討論過了。

結論

從這篇文章我們可以看出，這二十四顆行星之中，以地球的標準來說，大部分都稱不上宜居。嚴格來說，能同時滿足溫度（五個加灰的）及大小要求（兩個加灰的），只有一顆行星，即KOI5554.01，距離地球在710光年之外。換句話說，在全部4500多個候選行星之中，能和地球生活條件相媲美的，只有一顆行星而已。

但最尷尬的還不在這。在這二十四顆行星之中，只有KOI2162.01（正式名稱Kepler 1126b）和KOI172.02（正式名稱Kepler-69c）這兩顆是被正式確認的行星，而其他那些KOI，包括最合適的KOI5554.01，不過是行星候選者而已，是否存在還不好說呢。

從前面的表中我們可以看出，KOI2162.01和KOI172.02表面溫度估計在100℃以上，顯然不夠宜居。

因此真正的結論是，人類目前發現的4000多顆行星中，能夠確認條件比地球更好的，一顆都沒有--地球是目前宇宙中最適合人類的唯一。

費米悖論：人類文明是唯一的嗎？

或許這也能解答著名的費米悖論，就是"為啥外星人還不來訪問我們"？至少在地球周邊幾百甚至上千光年範圍內，地球是最宜居的。難道地球是這一區域中最早出現"智慧文明"的星球？