行星適居性

行星適居性

行星適居性是指天文學裡對星體上生命存在與繁衍的潛力的評估指標,可以適用於行星以及行星的天然衛星。外星生命的存在仍是未知之數,行星適居性是以太陽系及地球的環境推測其他星體是否會適合生命居住。生命存在有眾多條件的限制,但生命存在的必要條件是能量來源(通常是太陽能),只有當各項條件成熟後,方能稱該行星為適合生命居住的。對行星適居性的研究和理論是天體科學的組成部分,正在成為一門新興學科,即太空生物學。

概述

行星適居性是天文學裡對星體上生命的出現與繁衍的潛力的評估指標,其可以適用於行星及行星的天然衛星。生命存在的必要的條件是能量來源(通常是太陽能,但並不全然)。但是,當其他眾多條件,如該行星的地球物理學、地球化學與天體物理學的條件成熟後,該行星就可稱為是適合生命居住的。
外星生命的存在仍是未知之數,行星適居性是以太陽系及地球的環境推測其他星體是否會適合生命居住。行星適居性較高的星體通常是那些擁有持續與複雜的多細胞與單細胞生命系統的星體。而對行星適居性進行研究的學問被稱為天體科學,並且被通常被歸類為太空生物學的領域。

適居條件

通常類地球的行星是富有資源的,因此會有較高機會出現生命。科學家瑪格麗特·杜布爾與塔爾特在2002年開發了適居恆星表。在接近120,000顆屬於依巴谷衛星分類的恆星里篩選出17,000顆適居恆星,而且其使用的篩選條件正好使人們明白了影響行星適居性的天體物理學的因素。

地球化學

通常所有外太空生物均會被假設需要符合部份基礎地球化學,需要具有四種必要的生命元素,,這些元素是宇宙里最具化學活躍性的元素。碳可以組成精密的大型有機化合物,這會構成生命複雜的機械作用。

這四個元素共占了地球上生物量超過96%的組成成份,組成了胺基酸,是維持生命必要的物質蛋白質的基本成份。

氫與氧可以組成水份供生命生存之用。通由分解碳水化合物而釋放出的大量氫鍵能量,是生命的燃料。決定這一條件的主要因素是行星所在星系的類型,即恆星體積、有效溫度和行星軌道。也就是說,可以在一顆特定恆星周圍劃分出適居區,適居區內緣以外的行星溫度極高,行星表面的任何水分都會蒸發掉。

而早期的彗星撞擊為地球帶來大量的水份與生命所需的易揮發物,這為生命提供了初現的條件。

適居地帶示意圖適居地帶示意圖

光譜等級

星體光譜等級表示了星體的光球溫度,並與其總體質量有關。適居恆星光譜的可能等級範圍由“初等F”或“G”至"中等“K”,亦即是由7,000K至大約4,000K光球溫度的恆星。太陽居於其中,位於G2等級。與太陽相似的中等星體大多可以為環繞其運行的行星提供較高的適居性條件。

具有此條件的恆星最少存在數十億年,這樣生命才能有機會在環繞其運行的行星上繁衍。屬於“O”,“B”與“A”等級的較亮的主序星通常只存在少於十億年,有的存在還不足一千萬年。

此外,具有此條件的恆星會釋放足夠高頻的紫外線使環繞其運行的行星啟動大氣運動,如臭氧的生成,但同時亦不可以有過多的離子化反應使得初生生命被殺死。

地帶特徵

天體光譜分析圖天體光譜分析

適合居住的地帶是指圍繞恆星運行,而其表面具有液態水的行星。除了能量來源外,液態水被視為生命最重要的依靠物。如果將不需要水來維持生命的生物也計算在內,則適合居住的行星將會大幅增加。

適合居住的行星一般地帶特徵為:

一,適合居住地帶不可大幅度改變。

所有星體均會隨著其年齡增長而加強其亮度,而其適合居住的地帶則會向外調節,但如果這種情況發生得過快,如超巨大的恆星,則圍繞該恆星運行的行星較難提供使生命繁衍的環境。

二,不可以有巨大質量的星體接近此地帶,因為這會影響該類地行星的組成。

假設,如果木星運行於地球與金星間的軌道,則地球與金星均不會出現。以往的天文學家認為太陽系裡的內行星為固態行星,而外行星為氣態行星十分正常,然而太陽系外行星的發現改變了這個想法。無數類木星行星在其他星系裡運行於被認為是適合居住的地帶。然而,往往是類木星的外太陽系行星較易觀察,因此哪種方為正常現在(2012年)仍未有結論。

低亮度變換

恆星的光度轉變十分平常,但變動範圍十分大。大部份恆星均十分穩定,但有少數重要的恆星經常會突然地增加亮度及釋放出大量能量。這類恆星因其不穩定性較大而被認為無法為環繞其運行的行星提供生命所需的生存環境,因為一般生物不能在溫度變化極大的情況下生存。

光度不穩定亦有可能是恆星本身釋放出致命的伽瑪射線X射線所致。若行星存在大氣的話,可以儘量減少其影響,但保護作用有限,因此受到這些射線大量照射的行星通常並不適合生物居住。

高度金屬特徵

高重金屬含量的恆星通常與原行星圓盤裡的重金屬含量有直接關係。原行星圓盤裡的重金屬含量較少的話會使得在恆星周圍形成行星的可能性減低,這是由太陽系邊緣的太陽星雲的理論得來。

而任何行星若是缺少金屬成份的話,則其質量會較低,從而變成類木星行星,這並不適合生物生存的行星。光譜學的研究指出,在外太陽系的行星里,如果其主恆星沒有伴星的話,則行星本身可以獲得更多的金屬成份組成,這更有機會形成類地球行星,生命出現的可能性便會較高。

雙星系統

研究表明,有半數的恆星是處於雙星系統下,這使得尋找適合生物居住的行星顯得更為複雜。雙星系統間的兩顆恆星的距離由少於一天文單位至數百天文單位皆有。而雙星系統間的行星會因為受到兩個恆星的吸力相互影響而使得其軌道凌亂,除非其軌道可以高度集中。

但是,如果兩個恆星間的距離過少的話,適合生物生存的行星便變得不可能。此外,如果行星與其主星的距離大於兩個恆星間的距離的五分之一,適合生物生存的行星亦較不可能出現。由卡內基美隆大學科技工程學院的愛倫·伯斯(Alan Boss)所進行的理論研究指出雙星系統里形成類木星行星的機會比單星高很多。

行星體積與質量

質量不及地球一半的行星無法擁有足夠的表面重力以牢牢“鎖住”維持生命的大氣層;質量是地球10倍以上的行星雖然能夠擁有足夠的表面壓力,但同時也“鎖住”了星系形成的基本元素氫和氦,最終成長為氣態巨星

其一,較低的地心引力使得維持大氣層變得困難。組成生命的分子會很容易被太陽風隕石撞擊帶至外太空,從而扼殺生命出現的機會。沒有濃厚大氣層的行星並不能提供生物化學的必要原始條件,如只有很少的隔熱與較差的行星表面導熱。此外,較薄的大氣層所提供的對高頻輻射與殞石撞擊的保護較少。

最年幼行星質量超地球3000倍最年幼行星質量超地球3000倍

其二,較細少的行星具有較小的直徑,其應該具有較高的表面面積。

這類行星會較容易損失組成它們的能量,因此其地質活動會停止,即沒有火山活動、地震與星球構建活動,生命會因為缺乏表面承托、大氣保護與維持適合居住溫度的物質而不能出現。

軌道與鏇轉

行星適居性的其中的一個重要因素是軌道與鏇轉的穩定程度。

軌道偏離是行星近日點遠日點間的差距。越大的偏離代表著越大的溫度變動。生物並不能在溫度變化過大的地方生存。地球沒有出現這情況是因為其軌道接近圓形,偏離率少於0.02;太陽系其他行星除冥王星外均有著相近的特性。

行星日夜交替的時間不可太長。

如果行星上度日如年的話,日夜溫差便會太明顯,這就如軌道偏離般造成不宜居住的環境。行星必須有氣候適中的季節。如果其軸心偏離太少的話,便不會有季節轉換,這樣很多生物的自然活動皆不能進行。但若行星軸心過度偏離的話,則季節過於分明,生物難以平衡各項生理需求。但有研究指出即使軸心傾斜85度的行星仍有可能存在生物。行星的搖擺不可過份,其歲差亦需較長。地球的歲差以23000年為一周期,如果這個周期不夠長或搖擺過度,氣候轉變便會過分明顯,這會影響其適居性。

其他因素

其他影響適居性的因素還有很多,其中包括大氣的規模和構成(影響行星溫度並保護其免受紫外線宇宙射線侵害),以及所在行星系統內的衛星及巨行星的影響,如是否可以保護其免受小行星撞擊等。

可能適居的星系、星球

太陽系

科學家大多認為太陽系是最有可能存在生命的星系,因為太陽系具備以下條件:

1.不在球狀星團里。

2.不接近巨大伽瑪射線源。

3.不接近銀河系中心的黑洞

4.太陽的圓形軌道避免了大部份的危險。

5.相對孤立是恆星系出現生命需要的環境。

紅矮星

紅矮星紅矮星

紅矮星占天空里恆星的70%至90%,科學家認為紅矮星唯一可供生命出現的可能是該行星具有極厚的大氣層,這可以減低熱力的吸收與散失,使得溫度較穩定,但這會防止了植物首次光合作用的出現,因為陽光難以照射至地面。同時以為質量較細(大約為太陽質量的0.1至0.6倍),所以環繞其運行的行星若要具有地球表面的溫度則需要運行0.3天文單位左右的距離。但這會導致潮汐力鎖定,並使得行星的一面永遠白晝,另一面永遠漆黑。

木星

木星是指大型氣態行星,其與適合居住的地帶距離剛好遠至不會影響生命的出現,而又剛好近至可以為其內行星提供保護。

首先,穩定了其內行星的軌道,亦即穩定了內行星的氣候。其次,其可以保護適合居住的地帶的類地球型行星不受大型殞石撞擊,以免生命被毀滅。良好的木星運行的距離大約為適合居住的行星與恆星距離的五倍。

早期太陽系歷史裡,木星有著不同的角色,它增加了小行星帶的行星軌道偏離,使之撞擊地球並提供了生命必須的揮發物。在地球變成現在質量前,木星與土星間的冰塊和小行星帶的冰塊被木星與土星影響而撞向地球,為地球帶來水份。

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