一個超級地球應(yīng)該最大多大才能保持“宜居”？

一位藝術(shù)家創(chuàng)作的超級地球概述圖 圖片來源：國家航空航天局/噴氣推進(jìn)實驗室-加州理工學(xué)院

在目前發(fā)現(xiàn)的幾千個系外行星之中，“超級地球”是最普遍的。這種行星比地球大，比海王星小，其中有些在它們母星的宜居帶中。這說明這些行星上的一些條件可能適合其表面上存在液態(tài)水。

但這些巨大的巖石行星究竟有沒有能夠支持生命存在的條件？或者，生命是否只會出現(xiàn)在像地球一樣的較小的行星中？當(dāng)然，我們最后只能通過未來的觀測來獲得一個確定的答案，但是在這之前，這個問題給我們了一個很完美的機(jī)會——這個機(jī)會使我們可以探索并擴(kuò)展我們對于生命究竟可以在哪里找到家園的理解。

Defining habitability 何為宜居？

首先，我們要弄清楚所謂“宜居”的含義是什么，因為我們的太陽系中的有些野生的世界遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我們認(rèn)為正常的范圍。畢竟沒有任何一個別的已知的行星和地球十分相像。

我們太陽系中其他的小型巖石星球要么就是貧瘠的荒地（比如水星和火星），要么就是噩夢般的地獄（比如金星）。那些有著又厚又致密的大氣層的氣態(tài)巨星不在考慮范圍內(nèi)。然而他們有些冰凍的衛(wèi)星在其堅硬的外殼下存儲著大量的液態(tài)水，所以它們可能是太陽系中另外的能給生命提供家園地方。但是目前為止，我們要把討論的話題限制在長相上和地球相似的行星。

這就意味著，當(dāng)我們調(diào)查那些超級地球的時候，我們需要找到長相和行為（最好也有氣味）都和我們的星球十分相似的行星。這包括在恒星的宜居帶中，這樣才能保證行星上的溫度剛剛好以及行星上的大氣層不稀薄但也沒有過厚。液態(tài)水也要存在于這樣的行星的表面上，而不是被封在冰凍的地殼下或者沸騰成為了水蒸氣。最后，它們必須要有一個磁場來保護(hù)大氣層和液態(tài)水不被太陽風(fēng)暴持續(xù)的殘酷攻擊侵蝕。

當(dāng)然，要想讓一個地方真正宜居，需要的條件還有非常多。但是如果沒有這些基本的條件，那么這個外星世界基本不可能有東西成活，所以先從考慮這些基本條件開始是一個不錯的決定。

Picking the right size planet 多大的行星？

天文學(xué)家一般會把任何大小在與地球相同到為地球十倍的行星劃分為超級地球。他們傾向于叫比上述標(biāo)準(zhǔn)還大的行星為小海王星，但是這個過于清晰的明顯界限其實掩蓋了很多對于判斷宜居性的重要細(xì)節(jié)。

顯然地，和地球大小更接近的星球更可能是宜居的，因為我們默認(rèn)這樣的行星和地球非常相似。相同地，如果這個行星和海王星的大小更加相似，那可能這個地方并不是一個生命能夠找到落腳地的地方。這是因為海王星根據(jù)上文的定義，整體來講并不是非常宜居。

隨著行星的質(zhì)量增加，由于引力的影響，它的核心就更能保持一個厚重的大氣層。最終，那個行星上就會有如此厚的大氣層以至于“氣態(tài)巨星”能夠比“巖石行星”更好地形容它們。不幸的是，我們?nèi)狈σ粋€能劃分這兩個極端的明顯界限，而超級地球的存在則把這兩個極端連接到了一起。

所以，行星的旋轉(zhuǎn)軌道也非常重要。如果一個行星離它的母星太近了，那么不論這顆行星的大小，它都會被燒焦。以軒轅增十九為例。它是一個距離地球五十五光年的巖石超級地球，并且是地球的八倍重。但是因為它距離它的母星太近了，它只是一個融化的巖漿球。

與此同時，行星TOI 270c更小，大約是地球的七倍重。但是它距離它的母星有如此遠(yuǎn)以至于它幾乎是完全由氣體組成的。這使得它比起超級地球，其實更像一個小海王星。

The contenders “最宜居星球”大賽的冠軍？

最終，一個宜居的超級地球需要有一個正好的密度，因為這說明它沒有過多的巖石或者過多的氣體。就算這么說，這也僅僅是一個猜測——畢竟天文學(xué)家對于任何特定的一個地外行星的了解都很有限。

以格利澤581c為例，它離我們只有大概二十光年遠(yuǎn)。這個地外行星大概是地球質(zhì)量的5.5倍，并且處在這顆行星的宜居帶內(nèi)。但是天文學(xué)家只知道它的質(zhì)量，而不知道它的半徑，所以他們不能判斷這顆行星的密度。在那個軌道和那個質(zhì)量，這顆行星可以是一個很典型的巖石星球，或者完全由固態(tài)鐵組成。或者它可以是一個很小的氣態(tài)行星，甚至可能由鉆石組成。

而對于任何地外行星的磁場了，這只能完全依靠觀測了。科學(xué)家們認(rèn)為比地球更大的行星有可能包含一個強(qiáng)磁場，但想要確定這個磁場是不可能的事情。比如金星和地球的大小差不多，但是只有地球有很強(qiáng)的磁場。

我們并不能理解外星球的宜居帶。

也許最有可能是一個宜居的超級地球是LHS 1140b，這顆行星距離地球49光年遠(yuǎn)。它大約寬為地球的1.6倍，但是有著地球重量的6.48倍。它在距離它母星極近的軌道運行著，甚至繞母星旋轉(zhuǎn)一周只需要25天。但是由于那顆恒星是一個紅巨星，這顆行星仍在母星的宜居帶內(nèi)。

LHS 1140b的大氣模型證明了這個星球上有著一個厚重的大氣層來環(huán)繞一個全是液態(tài)水的海洋的可能性。但是也許只有通過比如詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡的精細(xì)觀察才能告訴我們這顆行星是否真的是宜居的。在這之前，這顆行星是可能容納生命的最大的星球。

BY:Paul Sutter

FY:Sumyee

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