巡天猎手-孙国佑

星明天文台成员,PSP公众超新星项目管理员,埃格•威尔逊奖获得者,C/2015 F5 斯万-星明彗星发现者,中国首颗银河系新星发现者

宜居带

宜居带(英语:circumstellar habitable zone, CHZ),是天文学上给一种空间的名称,指的是行星系中适合生命存在的区域。宜居带中的情况有利于生命的发展,并且可能像地球般出现高等生命。有两种区域是有可能的,一个是在行星系内,另一个则存在于星系之中。在适合的区域内的行星和天然卫星是最佳的候选者,这些地球外的生命有能力生活在类似我们的环境下。天文学家相信生命最可能发生在像太阳系这样的星周盘宜居带(CHZ)和大星系的星系宜居带(GHZ) 内(虽然天文学家对后者的研究才刚开始)。宜居带也许是指“生命带”、“绿带”或“古迪洛克带”(Goldilocks)。在我们的太阳系中,宜居带为距离恒星0.99至1.70天文单位之间的区域。

星周盘居带

在一个行星系统内,被相信行星必须在宜居带内才能让生命产生。星周盘宜居带在概念上是包为在恒星四周围的球壳状空间,所有在范围内的行星表面温度都应该能使水维持液态。液态水被认为对生命是至关重要的,因为它的角色是作为生物化学反应所需要的溶剂。在1959年,物理学家菲利浦·莫里森和朱塞佩·科科尼在搜寻地外文明计划的研究论文中提到了这样的区域。弗兰克·德雷克在1961年将这个观念用德雷克方程式使广为人知。

宜居带与恒星的距离,可以用恒星的光度的大小计算出来。对选定的恒星,可以用下面的方程式决定距离的范围:

例如,一颗发光度是太阳25%的恒星,它的宜居带距离大约在0.5天文单位的附近,而发光度是太阳两倍的恒星,宜居带的距离大约在1.4天文单位。这是因为发光度遵循平方反比定律,在假设 (尤其是) 它有与地球相似的大气构造和厚度,系外行星宜居带的中心与母恒星的距离,必然是有着与地球相似的全球平均温度环境。

当一颗恒星因为演化变得更亮,及发光度增加,则星周盘宜居带将会随着时间往外移。生物可以存在的最大化时间,是行星轨道维持在宜居带内越久越理想

大气层的组成也有重要的影响。行星的温度会受到大气层中温室气体的含量而变化。

星系宜居带

行星系在星系内的位置也是决定生命能否发展的因素,这就导出了星系宜居带的观念,然而,这种观念最近遭到了质疑。

要产生生命,一个太阳系必须要足够接近星系的核心,才能有足够的重元素,让行星在形成时能够成为岩石构成的行星。重元素必须存在,因为它们是组成复杂的生命分子所必须的,例如铁是构成血红素,碘是组成甲状腺激素的基础(假设铁是所有生物都需要的物质)。

另一方面,太阳系距离星系的中心也必须够远,以免除像小行星和彗星等天体的撞击、避免和其他恒星的近距离遭遇,还有超新星爆炸和来自星系中心黑洞等的宇宙射线。来自超新星的辐射对生命起源的影响还不清楚,据推测,来自星系核心的大量辐射会使构造复杂的分子更难以形成。同样的,在许多较大的螺旋星系和椭圆星系的中心区域,星际气体和尘埃都已经耗尽,那些区域已经不是恒星诞生的主要场所,恒星的诞生率远较周围其他的区域为低。

研究显示在重元素的含量,或是金属量,也有影响,越高的地区似乎越可能有巨大的行星在紧挨着母恒星的轨道上运转。这样的行星引发的重力潮汐力会导致任何质量如同地球的行星改变轨道和表面的形状,并在生命产生之前就将其摧毁。基于这些原因,星系宜居带有许多不确定的因素而难以被确认。而且,星球的大气层也不能太厚或太薄:太厚会形成金星般的极高表面温度,而太薄则会使行星变成火星般的沙漠行星。

在我们的银河系,星系宜居带被认为正缓慢的扩展至距离银河核心25,000光年(8,000秒差距) 之处,包括那些年龄在40亿至80亿的恒星。[36]而其他的星系因为构造上的不同,星系宜居带可能更大也可能更小,甚至根本没有。

星系宜居带或GHZ就有如古迪洛克带(Goldilocks Zone,即星周盘宜居带)一样,古迪洛克区这个名词源自童话故事的古迪洛克,童话中的这个女孩喜欢“既不太冷又不太热”的粥。天文学家詹姆斯·洛夫洛克在主张盖亚假说时将这个名词变成术语。这个概念是说生命存在于-15℃(5℉)(南极洲的一种藻类,Cryptoendolith)和121℃(250℉)(在深海热气孔周围活动的嗜热细菌)的温度段落中,换算成绝对温度是在258至394K,少于一个数量级的范围内。

未来的技术或许可以让我们测量出银河系内适合地球这样的行星存在的位置和数量,能让我们对星系宜居带有更多的了解。

宜居性

行星的宜居性有多重指标,分别从不同的角度来考量。

  1. ESI (Earth Similarity Index),即地球相似指数,是一个标定其他行星和地球相似程度的指数,范围在0和1之间,地球自身的相似指数以1表示。地球相似指数是针对行星设计出来的,但也可以用于大型天然卫星和其他天体。地球相似指数可以经由行星半径、密度、脱离速度和表面温度代入公式计算得知。
  2. SPH (Standard Primary Habitability),适宜植被生长的指数,取值 0 到 1 . 如果取值为 1,则意味着最适宜植被生长。SPH 依赖于表面温度和相对湿度。
  3. HZD (Habitable Zone Distance),行星与该恒星的宜居带中心的距离。取值范围 -1 到 1. 取值为 -1 表示在宜居带的最内侧,取值为 1 表示在宜居带的最外侧。HZD 与恒星的亮度和温度有关,当然也取决于行星的轨道半径。
  4. HZC (Habitable Zone Composition),表示行星成分的量。值接近 0 意味着行星很可能是铁-石-水组成,低于 -1 的值表示很可能主要有铁组成,高于 1 的值表示很可能由气体组成。HZC 依赖于行星的质量和半径。
  5. HZA (Habitable Zone Atmosphere),行星拥有宜居的大气层的潜力。取值低于 -1 表示大气层很稀薄或者几乎没有大气层,取值高于 1 表示很可能有厚重的氢气组成的大气层(像是气态巨行星),在 -1 和 1 之间表示可能有适合生命存在的大气层。但是需要注意 0 并不意味着是生命理想的大气层HZA 依赖于行星的质量,半径,轨道大小和恒星的亮度。
  6. pClass (Planetary Class),依据 thermal zone 和质量来进行分类。Thermal zone 包括 hot, warm, cold,其中 warm 是宜居的。质量分类包括 asteroidan, mercurian, subterran, terran, superterran, neptunian, and jovian.
  7. hClass (Habitable Class),依据温度来分类,包括 hypopsychroplanets (hP) = very cold (< −50 °C); psychroplanets (P) = cold; mesoplanets (M) = medium-temperature (0–50 °C; 不要与 另一种 mesoplanets 定义 混淆); thermoplanets (T) = hot; hyperthermoplanets (hT) = very hot (> 100 °C). Mesoplanets 可能会对于复杂生命很理想,class hP 或者 hT 只能支持嗜极生物(extremophilic life)。Class NH 不适宜生命存在。