宜居带上的生命搜索，我们还有漫长的路要走

　　美国宇航局和其他太空机构对太阳系外行星研究领域寄予厚望。在过去的十年里，已知的系外行星的数量已接近4000颗，一旦下一代望远镜投入使用，预计还会发现更多的系外行星。由于有如此多的系外行星需要研究，研究目标已经慢慢地从发现过程转向分析测定。
　　不幸的是，科学家们仍然被这样一个事实所困扰，那就是我们所认为的＂宜居地带＂受到很多假设的影响。针对这一问题，一个国际研究小组最近发表了一篇论文，他们在论文中指出，未来的系外行星调查可以超越地球模拟的例子，作为可居住性的指标，并采取一种更全面的方法。
　　这篇题为＂宜居带预测和如何测试它们＂的论文最近在网上发表，并作为白皮书提交给了《2020年天文与天体物理学十年调查》。背后的小组由地球生命科学研究所(ELSI)和空间科学研究所(SSI)的研究员拉姆西斯·M·拉米雷斯（Ramses M.Ramirez）领导的，有来自23所大学和机构的研究人员。
　　十年调查的目的是考虑以前在各个研究领域取得的进展，并确定今后十年的优先事项。因此，这项调查为美国航天局、国家空间基金会(NSF)和能源部规划其未来的天文学和天体物理学研究目标提供了重要的指导。
　　目前，许多这些目标集中在系外行星的研究上，这将在未来几年受益于詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)和广域红外空间望远镜(WFIRST)等下一代望远镜的部署，以及超大型望远镜(ELT)、30米望远镜、和巨型麦哲伦望远镜(GMT)。
　　太阳系外行星研究的首要任务之一是寻找有可能存在地外生命的行星。在这方面，科学家根据行星是否在其恒星的宜居带(HZ)内运行，将行星指定为＂潜在可居住的＂(因此值得后续观察)。因此，谨慎的做法是看一看定义宜居带的含义。
　　正如拉姆西斯和他的同事在他们的论文中指出的那样，关于外行星可居住性的一个主要问题是所作的 假设的水平。为了将其分解，大多数氢氮化合物的定义都假定表面存在水，因为这是目前已知的唯一种宿主生命的溶剂。这些相同的定义假定生命需要一颗岩石行星，它的构造活动围绕着一颗明亮而温暖的恒星运行。
　　环绕恒星的＂金发带＂是一颗行星既不太热也不太冷以能够支撑液态水的区域
　　然而，最近的研究对其中的许多假设提出了质疑。这些研究包括，大气中的氧并不意味着生命的存在，尤其是如果氧是化学分解而不是光合作用的结果。其他研究表明，在行星演化的早期阶段，氧气的存在如何能够阻止基本生命形式的出现。
　　此外，最近的一些研究表明，板块构造可能不是生命出现的必要条件，所谓的＂水世界＂可能无法支撑生命。最重要的是，理论研究表明，生命可以在其他天体上的甲烷或氨的海洋中进化。
　　这里的关键例子是土星的卫星土卫六，它拥有一个富含生命起源以前的条件和有机化学的环境，一些科学家认为这可以支持奇异的生命形式。最后，科学家们寻找已知的生物标记物，如水和二氧化碳，因为它们与地球上的生命有关，这是唯一已知的有生命的行星的例子。
　　但是，正如拉米雷斯解释的那样，这种心态(地球类似物被认为适合生命的心态)仍然充满问题：
　　＂经典的宜居带定义是有缺陷的，因为它的构造主要是基于以地球为中心的气候学论点，这些论点可能适用于也可能不适用于其他可能适合居住的行星。例如，它假设在可居住带外缘附近的潜在可居住行星上可以支持CO2大气。然而，如此高的二氧化碳水平对地球上的动植物是有毒的，因此，如果不能更好地理解生命的极限，我们就不知道这一假设的合理性。
　　开普勒62f系外行星需要一个富含二氧化碳的大气层才能使水变成液态
　　经典的宜居带还假设CO2和H2O是维持潜在宜居行星的关键温室气体，但近年来的几项研究使用不同的温室气体组合制定了替代的宜居带定义，包括那些虽然在地球上相对较小，但对其他潜在宜居行星可能很重要的定义。
　　在先前的一项研究中，拉米雷斯博士证明了甲烷和氢气的存在也可以引起合适的宜居带，从而在某种程度上扩展了经典的宜居带。就在一年前，他和丽莎·卡尔特内格（Lisa Kaltenegger）(康奈尔大学卡尔萨根研究所的副教授)发表了一项研究，表明火山活动(向大气中释放氢气)也可以延长恒星的宜居带。
　　幸运的是，由于下一代望远镜的部署，这些定义将有机会被测试。科学家们不仅能够检验一些长期存在的假设，这些假设是宜居带的基础，他们将能够比较不同的解释。根据拉米雷斯博士的说法，一个很好的例子是，CO2气体的水平取决于行星与其恒星的距离：
　　＂下一代望远镜可以通过搜寻大气中二氧化碳压力的预测增加来测试可居住区域，这些可能适合居住的行星离他们的恒星更远。这也将检验碳酸盐-硅酸盐循环是否是一个普遍的过程。许多人认为，碳酸盐-硅酸盐循环使我们的星球在历史上大部分时间都是适宜居住的。＂
　　水世界行星想象图。一项新的研究表明，当涉及到行星时，大多数适合居住的行星可能有超过90%的海洋。
　　在这一过程中，硅质岩通过风化和侵蚀转化为碳质岩石，而碳质岩石通过火山和地质活动转化为硅质岩。这一循环确保了地球大气层的长期稳定，使二氧化碳水平长期保持不变。它还说明了水和板块构造对我们所知的生命是多么重要。
　　然而，这种循环只能存在于有陆地的行星上，这实际上排除了＂水世界＂。这些系外行星，可能在M型(红矮星)恒星周围很常见，被认为水的质量占总质量的50%。由于有这么多的水在它们的表面，＂水世界＂很可能在它们的核幔边界上有密集的冰层，从而阻止了热液活动。
　　但是正如已经注意到的，有一些研究表明这些行星仍然可以居住。虽然丰富的水会阻止岩石吸收二氧化碳，抑制火山活动，但模拟表明，这些行星仍然可以在大气和海洋之间循环碳，从而保持气候稳定。
　　拉米雷斯博士说，如果存在这些类型的海洋世界，科学家们可以通过它们较低的行星密度和高压大气来探测它们。还有各种温室气体的问题，这些气体并不总是表示行星大气层变暖，这取决于恒星的类型。
　　天狼星A(主序A型恒星)和天狼星B(白矮星伴星)的想象图
　　＂虽然甲烷使我们的星球变暖，但我们发现甲烷实际上冷却了环绕红矮星运行的宜居带行星的表面！如果是这样的话，这些行星上高浓度的大气甲烷可能意味着可能不适合居住的冰冻环境。我们将能够在行星光谱中观察到这一点。＂
　　说到红矮星，关于围绕这些恒星运行的行星是否能够维持大气层的问题，争论十分激烈。在过去的几年里，已经有多项发现表明，岩石和潮汐锁定的行星在红矮星周围是很常见的，而且它们在各自恒星的宜居带内运行。
　　然而，随后的研究证实了这一理论，即红矮星的不稳定性很可能导致恒星耀斑，使任何围绕红矮星运行的行星都失去了它们的大气层。最后，拉米雷斯和他的同事们提出了一种可能性，即在被认为是不可能的候选行星的轨道上发现可居住的行星。
　　这些将是主要的序列类型-A类恒星-如天狼星A、牛郎星和织女星，被认为太亮和太热而不适合居住。拉米雷斯博士对这种可能性解释说：
　　＂我还感兴趣的是，在围绕A类恒星运行的宜居带行星上是否存在生命。目前还没有很多已发表的关于A类恒星的行星适居性的评估，但一些下一代的架构计划将对它们进行观察。我们很快就会了解到更多关于A类恒星对生命的适宜性。＂
　　类地系外行星的概念图，根据新的研究，这需要在水和陆地之间达成谨慎的平衡
　　最终，像这样质疑＂宜居区＂定义的研究，将在下一代任务中的科学行动时派上用场。有了更高的分辨率和更灵敏的仪器，他们将能够测试和验证许多科学家已经作出的预测。
　　这些测试也将证实，生命是否只有在我们所知的情况下才能存在，或者是否超出了我们认为的＂类地球＂的参数。但是正如拉米雷斯补充说的那样，他和他的同事进行的这项研究也强调了我们继续投资于先进的望远镜技术是多么重要：
　　＂我们的报告还强调继续投资先进的望远镜技术的重要性。如果我们想最大限度地增加我们发现生命的机会，我们需要能够找到和分析尽可能多的宜居带行星。然而，我也希望我们的论文能激励人们在未来10年内实现梦想。我真的相信，最终将会有比我们目前设计的任何任务都更有能力的任务。我们目前的努力只是我们物种更加坚定的努力的开始。＂