外星人的家园什么样？
只有当一颗行星与地球非常相似时，它才可能成为外星生命的家园。照片来源:apiemistika.lt
(温/司徒雷登)“爱普斯·穆奥”——但它确实动了。据说伽利略在1633年被判犯有异端邪说罪后嘀咕道。这也许是科学史上最著名的耳语。伽利略用他自己制造的望远镜观察到许多现象，这些现象与宇宙中的一切都围绕着地球转的事实背道而驰，比如绕木星运行的月亮和因阳光角度变化而导致的金星盈亏——如果金星围绕着地球转，这种现象就不可能出现。所有这一切导致伽利略领导哥白尼革命，哥白尼革命提出了一个“新观点”:包括地球在内的所有行星都围绕太阳旋转。
将近四个世纪后，我们站在另一场理解宇宙革命的最前沿。我们现在已经发现了近2000颗围绕其他恒星运行的行星。来自美国宇航局开普勒太空望远镜和其他观测设备的大量信息，加上对行星和恒星系统机制的更好理解，正迫使我们重新思考另一个地球中心的观点，即一个可以承载生命的行星是什么样子的。渐渐地，我们意识到关于另一个“地球”的假设似乎是错误的。随着搜索的继续，我们可能需要记住，活着的行星可能与我们的地球完全不同。
在评估一颗行星是否能承载生命时，我们认为许多事情都是理所当然的。首先，如果其他星球上的生命确实与地球上的生命相似，那么它们将是碳基生命，因为碳化学具有无与伦比的复杂性，液态水也是一种重要的溶剂。这一假设直接导致了20世纪50年代首次提出的宜居带概念。它被定义为恒星周围允许液态水存在的狭窄区域。离恒星太近，地球上的水就会蒸发。但是太远了，水就会结冰。只有在“黄金分割”的中间——既不太热也不太冷，只是合适的地方——生活才能繁荣。
我们的太阳有一个携带生命的行星，也就是地球。在我们的银河系中，有3/4的恒星比太阳暗，红矮星比太阳弱，太阳能输出更少的热量。红矮星的可居住区将非常靠近它，任何靠近它的行星都将是“潮汐锁定”的:恒星的引力使行星只面向前者的一侧。这一边将会经历无尽的烈日和灼热的温度，而另一边将会被永久的黑暗所冻结——这不是一个理想的生活环境。在我们的太阳系中，众所周知水星离太阳最近。尽管没有被潮汐锁定所覆盖，它仍然经历白天和黑夜半球之间600℃的温差。
仅仅因为它离太阳足够远，地球就可以稳定地旋转，使太阳的热量均匀地扩散到地球表面的所有地方。随着地球的旋转，它也走出了可居住区近乎完美的圆形轨道——然而，根据最新研究，它比我们过去认为的更接近可居住区的高温内部边界。我们非常大的卫星，月球，是另一个福音:它的重力确保地球自转的倾斜度只有微小的变化。所有这些因素共同为生命的蓬勃发展提供了一个吸引人的稳定环境。
因此，当开普勒太空望远镜在2009年3月发射时，它有一个目标:找到另一个地球。该望远镜以天文学家开普勒命名，开普勒在1619年第一个发现了行星轨道距离和公转周期之间的数学关系。这项任务计划进行三年绝非偶然。地球绕着太阳转需要一年时间，所以另一颗类似的行星也需要同样的时间绕着一颗类似太阳的恒星转。三年的时间足以探测到这样一颗行星在它的恒星前面经过三次，从而证实它的存在。
但是开普勒还没有看到这样的天体。早在2011年，它就在可居住区发现了开普勒- 22b，开普勒- 61b和开普勒- 62e也是在2013年发现的。但是它们完全不同于地球——三者都是大得多的“超级地球”大多数模型认为这些行星的强大引力会使它们的表面变平，使水更容易吞没陆地。陆地比水更容易升温和降温，因此地球上的每一个大陆在调节气候方面都发挥着重要作用。英国莱斯特大学的天体生物学家刘易斯·达特内尔说:“海洋行星可能更容易受到气候不稳定的影响，因此不太适合居住。”
开普勒-22b系统与内太阳系的比较。宜居区是指行星与恒星之间距离合适的区域。在这个地区，生命存在所必需的液态水可以存在于地球表面。资料来源:美国航天局
加州大学伯克利分校的古怪行星杰佛瑞·马西和他的同事还分析了由行星引力引起的恒星发出的光的变化。虽然开普勒发现的地外行星中有3/4比地球大，但它们的质量完全不足以成为富含水的岩石行星。相反，它们一定是更轻的行星，更像迷你海王星，它的岩石核心被含有大量氢和氦的厚大气层所包围。马西说:“这引起了一种担忧，即已知的主要类型的外星行星可能不适合生命。”
此外，“开普勒”还发现了各种奇怪和不寻常的行星。例如，开普勒-47系统有2颗恒星和至少3颗行星。其他行星有大的椭圆轨道，这与太阳系行星中典型的近圆形轨道明显不同。它们更像彗星，从外部的寒冷区域进入内部的温暖区域。也许最意想不到的发现是开普勒-11，我们太阳系的一个微型版本，它的6颗行星中有5颗离恒星比水星离太阳更近。麻省理工学院的行星科学家萨拉·西格说:“只要符合物理定律，任何事情都是可能的。”
乍一看，这些并不是我们认为生命栖息地应该具备的品质。然而，正是这些观察事实促使我们重新考虑。马西说:“也许我们犯了一个类似于哥白尼之前的错误，那就是，我们是特殊的，所有可居住的行星必须和地球具有相同的属性。”
有趣的是，这一概念的改变部分源于对地球上生命的更深入研究。在过去的几年里，在地球深处发现了生物——最令人惊讶的是生活在南非最深金矿3.6公里底部的线虫。由于科学家们只研究了一小部分可能的地下栖息地，几年前达特内尔甚至得出了一个与我们的想法大相径庭的结论。他说:“地球深处生物圈中的生命数量远远超过了我们所熟悉的地球表面的生态系统。”
这也会影响其他星球上的生命。阿伯丁大学的肖恩·麦克马洪说:“一旦考虑到地下生物圈，更多的行星将被认为是可居住的。”2013年9月，麦克马洪和两个同事发表了一篇论文，研究在行星核心的加热下水中生命的可能性。水体越深，它就越能免受外界温度的影响，从而进一步增加了活行星和恒星之间的距离。5公里以下的生命可以在轨道是传统可居住区三倍远的行星上生存。如果它有10公里深，可居住区可以延伸到土星轨道之外——是当前类太阳恒星周围可接受距离的14倍。
这也意味着我们不能排除外层太阳系存在地下生命的可能性。在木卫二围绕木星旋转的过程中，木星产生的潮汐摩擦会融化表层地壳下的水冰，这可能会形成一个地下海洋，那里有生命。
在2014年1月举行的美国天文学会会议上，韦伯州立大学的小约翰·阿姆斯特朗提出了另一种可能，即改变可居住区的位置。地球有一个月亮来稳定它的旋转轴可能是一件好事，但是不断变化的自轴倾斜不一定是一件坏事:它可以改变游戏规则。“轴向倾斜的变化可以抑制极地冰盖的积累，减少反射回太空的热量，”他说。根据他的模型，一颗不稳定的行星可以将液态水维持在一个距离上，这个距离可能是一颗旋转轴稳定的行星的两倍。
通过观察由极冠反射的星光引起的亮度变化，未来的望远镜也许能够从轴向倾斜角度观察到这种变化。然而，这样的行星可能没有类似于地球上的生命形式。“尚不清楚在这样一个气候快速变化的星球上，多细胞动植物的生态系统会有多复杂，”达特说。"但是对于表面以下的细菌，它可能根本不受影响."
如果可居住区可以延伸到远离恒星的地方，它的影响将会是深远的，因为它至少可以让像红矮星这样的暗星返回到这个区域:有生命的行星可以远离恒星，从而避免被潮汐锁定。然而，根据过去十年发展起来的更先进的气候模型，即使潮汐锁定也可能不是大问题。研究表明，如果一颗处于潮汐锁定状态的行星拥有与地球相同的富氮大气，那么热量可以有效地传递到永久的夜间表面，形成一个更加平衡和宜人的气候环境。
新的研究表明，一些以前被认为不适合生命的行星也可能有生命。点击查看大图。照片来源:《新科学家》
更接近这颗恒星的是，2013年，芝加哥大学的多里安·艾博特(Dorian Abbot)和他的同事们建立了一个潮汐锁定行星的三维大气模型，进一步强调了红矮星潜在的可居住性。这提出了一个吸引人的可能性:在恒星的固定直射下，云会更容易形成。
云会将更多的辐射反射回太空，这意味着一颗多云的行星可以更靠近恒星，同时保持适当的温度——向内扩展可居住区的边界。艾伯特说:“这使得红矮星周围潜在可居住行星的数量增加了一倍。”考虑到红矮星主宰着我们银河系的恒星，这大大增加了潜在的可居住行星的数量和我们找到它们的机会。
事实上，一些恒星周围的可居住区域可能是一场可移动的盛宴。加州大学圣克鲁斯分校的天文学家格雷格·拉夫林已经证明，液态水和生命甚至可以出现在像彗星一样有大椭圆轨道的行星上。在它离恒星最近的时候，它的温度在几个小时内可以上升20倍，但是劳克林说这颗行星可能能够承受。尽管赤道的温度像一个烤箱，但在高纬度地区，热量会迅速消散，那里的水保持液态而不沸腾。与此同时，恒星在此期间施加的极端潮汐力将重力能量注入其核心，在远离恒星时为其提供热源。
这样一个星球是否能携带多细胞生物仍有争议:很难知道光合作用生物是否能适应这种光线变化很大的环境。达特内尔说:“它们将与地球上的生命大不相同。我们需要保持开放的心态。”至少这样的行星会更容易被发现:它们会更靠近恒星，当它们经过恒星前面时，会导致恒星亮度更明显的下降。拉夫林说:“找到这些行星的概率因此可以增加十倍。”
一个接一个，我们先前建立的“规则”——承载生命的行星必须与我们的地球相似——开始瓦解。阿姆斯特朗走得更远，认为不同于地球的行星可能对生命更有益。最近，他和加拿大麦克马斯特大学的勒内·海勒(René Heller)提出了“超级宜居”行星的概念，认为由质量比太阳小的恒星和质量比地球大的行星组成的系统具有更显著的优势——例如，板块构造运动速度较慢，来自恒星的高能辐射较少。
这可能是对地球尊严的打击。但是就像几个世纪前一样，我们不再认为地球是宇宙的中心，现在也许是时候停止把地球看作是可居住行星的模型了。西格说，在寻找宇宙中其他地方的生命时，我们需要保持开放的心态，“如果我们被限制在另一个地球上，那么我们只会停留在我们的荣誉上。”