天文太空

哪裡比地球更適居?

地球或許不是生物最理想的住所,而是那些質量比地球更大的行星。它們繞行較小且昏暗的太陽,有著截然不同的地貌,而且數量可能還不少。

撰文/赫勒(Rene Heller)
翻譯/甘錫安
2015-05

天文太空

哪裡比地球更適居?

地球或許不是生物最理想的住所,而是那些質量比地球更大的行星。它們繞行較小且昏暗的太陽,有著截然不同的地貌,而且數量可能還不少。

撰文/赫勒(Rene Heller)
翻譯/甘錫安
2015-05

重點提要
■天文學家正在尋找繞著類似太陽的恆星運行、各項條件都與地球相仿的行星。
■新的看法認為,這類「超級地球」和繞行氣態巨行星的巨大衛星生存條件比地球更好,可能非常適合孕育生命。
■目前要近距離觀測這些類似地球的行星,仍然超出我們的科技能力範圍。
■繞行較小恆星的超級地球比較容易觀測,而且這類行星可能還為數不少。

地球是最適合我們居住的星球嗎?德國數學家萊布尼茲(Gottfried Leibniz)認為確實如此。他曾於1710年在文章中提到,地球儘管有諸多缺點,卻仍是人類所知最理想的居所。許多人認為萊布尼茲的說法缺乏科學依據又一廂情願,對此嗤之以鼻,其中最知名的就是法國作家伏爾泰在名著《憨第德》(Candide)中的評論。不過萊布尼茲或許與另一群科學家所見略同,這群科學家數十年來一直把地球當成黃金標準,並以此朝太陽系外尋找適合人類居住的星球。

地球是至今我們所知、唯一存有生物的行星,因此在其他星球尋找生命時,目標自然會是火星上最像地球的區域,或可能藏有地下海洋的木衛二等類似地球的區域。目前有項新進展正在挑戰過往以地球為標準的想法:科學家發現一些繞行其他恆星的行星(稱為系外行星),與地球並不相同,卻可能也適合人類居住。

近20年來,天文學家已經發現約1800個系外行星,從統計資料來估計,銀河系還有至少1000億個系外行星。目前已發現的系外行星極少類似地球,反而千奇百怪,軌道、體積和組成都差異極大,繞行的恆星也各不相同,許多恆星比太陽更小、光度更低。我和其他天文學家評估這些系外行星各式各樣的特質後,認為地球或許不是最適合生物居住的行星。事實上,某些與地球差別甚大的系外行星,更可能形成並維持穩定的生物圈,在尋找地外生命時,這些「超適居行星」或許是最好的目標。

剛好就在適居邊緣

當然,地球有不少乍看之下很適合生命生存的特質。地球繞著穩定的中年恆星運行,這個恆星持續發光了數十億年,使生物有很長的時間得以崛起並演化。地球擁有大片孕育生命的海洋,主要是因為軌道位於太陽的「適居帶」(habitable zone)內。在這片相當狹小的區域中,陽光不太強也不太弱。在這片區域的內側,行星表面的水會沸騰成蒸汽,而在這片區域的外側,水又會凍結成冰。此外,地球的質量對生物而言也相當理想,重力足以抓住厚實的大氣,又不至於使地表上覆蓋的氣體窒悶而不透明。地球的體積和主要以岩石構成,還促成了其他適居條件,例如能維持氣候穩定的板塊運動和防止生物圈遭受宇宙射線危害的磁場。

不過科學家越深入研究地球的適居性,就越認為地球不甚理想。近年來,地球各處的適居性大幅改變,因此有大片區域相對缺少生命,例如乾旱的沙漠地區、缺乏營養物質的遼闊海洋以及嚴寒的兩極地區。另外,地球的適居性還會隨著時間改變。舉例來說,在石炭紀(約3億5000萬年到3億年前)的大多數時間中,大氣比現在更加溫暖潮濕,氧氣含量也較高;海洋中的甲殼類、魚類和珊瑚相當活躍,大片森林覆蓋陸地,昆蟲和其他陸地生物的體型也十分龐大。石炭紀時期的地球提供的生質(biomass)可能比現在多出許多,因此我們可說地球目前的適居性不及遠古時期。

再者我們知道,地球未來將更不適合生命生存。50億年之後,太陽的氫燃料將消耗殆盡,開始以氦進行核融合,使太陽膨脹成紅巨星,並把地球燒成灰燼。不過在此之前,地球上的生物應該早已滅絕。當太陽的氫燃料燒完後,核心溫度將逐漸升高,慢慢提高太陽的總光度,每10億年增亮10%左右。這樣的變化將使太陽的適居帶開始變動,因此一段時間後,適居帶逐漸遠離光度提高的太陽。更糟的是,最近的計算顯示,地球將不再位於適居帶中央,而是靠近內側的交界處,相當接近溫度過高的區域(參見80頁〈地球生命重要時刻〉)。

至此,大約在5億年內,太陽光度將會提高許多,導致地球氣候過熱,威脅多細胞生物的生存。大約17.5億年後,光度持續提高的太陽將使地球海洋蒸發,地表上苟延殘喘的簡單生命滅絕。事實上,地球已經過了最適合生物居住的黃金時期,生物圈的末日正在快速到來,從各方面看來,目前的地球似乎只能算是勉強適合生命生存。


尋找超適居行星


2012年,我在研究繞行氣態巨行星(編按:在太陽系中也稱為類木行星)的大質量衛星是否適合孕育生命時,首度思考更適合生物居住的星球可能是什麼樣貌。太陽系中最大的衛星是木衛三,質量只有地球的2.5%,很難維持如地球般厚實的大氣。不過我發現,如果某些行星系統中有質量接近地球的衛星,而這些衛星繞行的龐大行星位於恆星的適居帶,則這些衛星可能具有與地球相仿的大氣。


這類大質量系外衛星可提供生物圈多種能源,因此可能非常適合生命生存。地球生命的主要能源是陽光,超適居系外衛星的生物圈則可能有多種能源,例如鄰近氣態巨行星發出的熱和反射的光,甚至氣態巨行星的重力等。由於系外衛星繞著氣態巨行星運行,潮汐力可改變衛星的形狀、造成摩擦,在衛星內部產生熱。科學家認為木衛二和土衛二可能有地下海洋,這種潮汐加熱現象或許就是成因。儘管如此,對大質量系外衛星而言,如此豐富的多樣性卻是雙刃劍,因為交錯重疊的能源之間如果出現些微不平衡,很容易使環境轉變為不適合生物居住的狀態。


不論系外衛星是否適合生命生存,我們至今尚未找到系外衛星,但透過美國航太總署(NASA)克卜勒太空望遠鏡的觀測資料,遲早會發現某些系外衛星。就目前而言,這些天體的存在和可能的適居性仍屬猜測居多。


另一方面,目前已確認和待確認的系外行星之中或許就有超適居行星。1990年代中期發現的第一批系外行星都是氣態巨行星,質量與木星相仿,但軌道太接近繞行的恆星,生物無法生存。不過行星搜尋技術隨著時間不斷進步,天文學家已經著手尋找更小的行星,這些行星落在離恆星較遠的軌道、溫度適中。近幾年來發現的系外行星大多是所謂的「超級地球」,質量最多是地球的10倍、半徑介於地球和海王星之間。我們已經知道這類系外行星在其他恆星周圍極為常見,但太陽系中沒有這類行星,反而被視為不尋常的例子。


許多體積和質量較大的超級地球半徑相當大,足以抓住厚實大氣,比較像迷你海王星,而不像超大型地球。如果某些系外行星的體積只有地球的兩倍左右,其組成就可能如地球般以鐵和岩石為主,加上軌道位於恆星的適居帶,則表面可能有液態水。目前我們已經知道,有幾個可能為固態的超級地球,繞著M矮星和K矮星運行。這兩種恆星的質量和光度都小於太陽,壽命則比太陽長得多。我與美國韋伯州立大學的物理學家阿姆斯壯(John Armstrong)進行數值模擬時曾指出,這些系外行星最有可能是超適居行星,部份原因是繞行的恆星其質量和光度較小。