“地球2.0”，真的宜居吗？

你是否有很多问号，为什么总能听见 NASA 发现“第二颗地球”的“大”新闻？

“地球 2.0 ”对人类到底意味着什么？

这集，让我们来深度剖析一下“第二地球”背后的——思维逻辑。

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脚本、配音、监制 ｜ haibaraemily

视频制作 ｜普洛Probe 

后期 ｜ 尞祡

以下为文本👇

最近的当红系外行星可能当属新发现的Kepler-1649c了，这颗行星曾经因算法误判被而忽略，直到近期才被科学家们从开普勒探测器留下的数据里捞了出来。Kepler-1649c据估计直径是地球的1.06倍，环绕一颗距离地球300光年的红矮星Kepler-1649公转，位于这颗恒星的宜居带内，每19.5个地球日公转一圈 [1，2]。

环绕红矮星的Kepler-1649c，轨道更内侧还有另一个行星1649b。来源：[2]

显然，能成为今日之星靠的可不仅仅是这份“失而复得”的运气，更多的是因为，这是一颗位于宜居带中，目前为止大小和表面温度与地球最接近的一颗系外行星。

地球 vs Kepler-1649c。来源：NASA/Ames Research Center/Daniel Rutter [1]

尽管声势还比不上之前的“地球2.0”、“地球大表哥”——环绕着黄矮星公转的Kepler-452b（但已被暂时降级为“疑似”），但也已经足够吸睛。

地球 vs Kepler-452b。来源：NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle & W. Stenzel [3]

“宜居行星”、“超级地球”、“地球2.0”，这些词近些年来频频活跃于各大媒体的报道之中，某些号甚至仅凭这一点点信息就能脑补出无数动人的山水田园画卷，你说人家是伪科学吧，人家还说你不懂艺术想象呢。

不过话说回来，即使什么都不多说，仅仅靠着这些词汇本身带来的种种暗示，就已经天然能勾动起媒体和吃瓜群众们的神经了，这不怪你们，怪这名字取得确实有点uc标题党。

所以这集，我们就来深入剖析一下“地球2.0”背后的思维逻辑。

简单来说，不管是“宜居带”还是“超级地球”，本质的要求只有一个，那就是：要像地球。而这背后的逻辑其实是：地球上有生命，那么一个像地球的星球上也可能有生命。

那什么样叫“像地球”呢？总的有个对比的指标吧？早期的行星科学家们给出了两个标准：

1、表面温度和地球差不多；

2、质量或者说个头和地球差不多。

这两个标准就对应了“宜居带”和“超级地球或者类地球行星”这两个概念，前者要求这个行星距离中心恒星不近不远，因此表面温度不冷不热，能够允许液态水在表面稳定存在（注意这里是“表面”，后面要考的），后者要求这个行星和地球质量相当或者没有量级上的差别。

然而，我们实际希望一个像地球的宜居星球是什么样的呢？有液态水，有岩质的固态表面，最好还有大气层保护，有活跃的地质活动。

那么，“宜居带”和“超级地球”这两个标准可以等价于我们对“第二个地球”的期待么？或者说，“地球2.0”真的像地球么？

其实不一定。

让我们思考两个问题：

第一个问题：在宜居带中的星球，表面一定有稳定的液态水么？

我们前面已经说了，宜居带其实只是一个温度上的限制，这个限制仅由两个因素决定：恒星的辐射能量和行星与恒星的距离。不同类型的恒星，匹配的“宜居带”位置和范围是不一样的——越热的恒星，宜居带越远、越宽，越不那么热的恒星，宜居带越近、越窄 [4]。

FGKM型主序星的宜居带范围。来源：[4]

然而，同样位于太阳的宜居带中的火星，如今的已经表面几乎没有液态水存在。这不是温度的事儿，而是随着火星逐渐失去了磁场和大气层的保护，过低的表面大气压让液态水无法稳定存在了。即使是近些年在火星上发现的疑似液态水痕迹“季节性斜坡纹线”（RSL），也很可能是因为高浓度的高氯酸盐帮助水达到融点，流动起来。

火星上发现的季节性斜坡纹线，可能是季节性的液态水变化所致。来源：NASA

也就是说，位于宜居带中，不一定表面液态水能稳定存在，还得有大气层或者其他因素的配合。

第二个问题：“超级地球”或者“类地球行星”一定有地球那样的岩质固态表面么？

通常来说，超级地球的上限是10倍地球质量，下限1-3倍地球质量，而比超级地球小一点，和地球几乎差不多大的就是“类地球行星”。

也就是说，不管是“超级地球”还是“类地球行星”，其实只是一个质量或者个头上的约束——本质上并没有对行星的表面状态作出限制。

然而，在1-10倍地球质量这个范畴里的星球，除了像地球一样拥有岩质的固态表面和一般般厚度的大气层之外，也可能像海王星那样有着水冰和氨冰的幔层和较厚的氢氦大气层——这种大个头的“超级地球”我们称之为“迷你海王星”。而即使是和地球质量相当，也有可能是表面完全被液态水覆盖的“海洋行星”，没有陆地，也没有岛屿。

也就是说，温度和质量与地球接近的，未必就像地球。

反过来，温度和质量与地球相差很多的，也未必就不能在某些方面像地球。

让我们思考第三个问题：不在宜居带中，一定没有稳定的液态水么？

不好意思，也不一定。

如果我们不局限于表面，星球的内部完全可以别有洞天。外太阳系的木星、土星距离太阳如此遥远，如果靠太阳来提供热量的话，这些行星的卫星们必然有一个算一个都是冰疙瘩，从外到内冻得透透的。

然而实际上，这些卫星压根不care太阳那点辐射。在大行星自身引力不断地”揉捏“之下，永无止尽的剧烈摩擦产生的潮汐加热作用在许多卫星内部产生了大量的热，结果就是：尽管表面温度低达零下100多摄氏度，但木卫二、木卫三，土卫二等卫星们在冰层之下形成了液态水海洋，木卫一更是成为了一个喷涌的火山世界（详见：金星、木卫一，还是海卫一？）。

还有第四个问题：比地球小很多的星球就一定没有稳定的大气层和活跃的地质活动么？

说几个太阳系中我们已知的反例：一个是土卫六，土卫六比火星还小，而且没有磁场，但大气层却比地球还要厚。还有别忘了我们前面提到过的，木卫二土卫二就有活跃的地质活动，木卫一甚至是太阳系中最活跃的星球，而这些有着固态表面的卫星可都比地球小多了。

再进一步，我们对一颗星球“像地球”的期待真的有必要么？好像也不一定。

比如，生命一定需要地球那样的岩质固态表面么？即使是地球上，我们也已经在深海热泉口附近发现了生命群落的生息繁衍，那么一个没有固态表面，或者完全被液态水覆盖的星球中为什么不可能孕育生命呢？

还有，就在最近，天文学家们还发现即使是在纯氢气的环境下，某些简单细胞生物也能存活和繁衍 [5]，别忘了，很多类似木星、海王星的系外行星很可能大气的主要成分就是氢气。

再说，宜居行星和宜居行星就一样么？

想象一颗系外行星，真的和地球个头、成分、表面温度差不多，也有岩质固态表面，也有液态水覆盖，它真的会像地球那么宜居么？也不一定，因为环绕着什么样的恒星公转也很重要。地球是一颗环绕着黄矮星（G型行星）公转的行星，而如果一颗相似的行星环绕的是红矮星（M型行星），可能就有点不妙了。

因为想要达到同样的表面温度，环绕着温度更低的红矮星公转的行星必然需要距离恒星更近，而离恒星近则往往意味着这颗行星很可能已被潮汐锁定，也就是有固定的一面永远面向炙热的“太阳”，另一面永远背对着“太阳”，就像我们的月球至于地球一样。另一方面，红矮星发出的可见光比太阳光要弱，而紫外线和X射线却很强，这些对生命来说，都可能是不宜居的因素。

黄矮星vs红矮星。来源：NASA

也就是说，不管是“宜居行星”还是“超级地球”，它们作为一种系外行星的分类标准本身是ok的，但这种分类标准，即使是以我们目前对地球生命的认知，也不一定和生命挂钩。这还没算上目前有限的系外行星探测手段本身的测量和误差限制。

说回最近这颗大小和温度与地球非常接近的Kepler-1649c，这颗行星会像地球一样有固态岩质表面，有液态水么，当然有可能。但即使不是，也没什么关系。如今的我们已经发现了四千多颗系外行星，而这个数字还在飞速增长中，总有一天，我们会发现和地球越来越像的行星，但问题是这种相似到底有多重要？

毕竟，通过“像不像地球”来推测一颗星球可不可能存在生命，本质上还是因为：我们地球人没见识，我们尚未见过任何其他星球上的生命。就像如果一个人只见过高纬度的冰封之地南极有企鹅，那么很自然的推想就是温暖的赤道不太可能会有，但事实上…赤道真的有企鹅。

而认知有限的结果就是：我们只能通过仅有的认知来寻找相似性。然而，实际情况要复杂得多。

欧空局的JUICE号、NASA的欧罗巴快船号和蜻蜓号…哪怕在太阳系内，我们不也已经在逐渐把更多寻觅生命的热忱从位于宜居带中的火星转移到了压根不在宜居带的木星和土星的卫星上了么——剧烈的潮汐加热作用，冰下的液态海洋，海底的水热活动，喷泉中的有机物……想象一下，一个深海热泉口附近孕育的生命天堂它不香么？

土卫二的水热活动。来源：NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute

甚至不仅仅是我们前面提到的，还有：生命真的需要水么？生命真的必须是碳基的么？尽管我们只能根据现有的科学认知去搜寻，但依然可以怀抱开放的态度去期待。

一本出版于1918年的书中认为，被厚厚大气覆盖的金星是一个充满了水的环境，表面被大片沼泽覆盖，可能有植物生长；40多年前的卡尔·萨根曾幻想过在木星剧烈的风暴和湍流中，生命可能会像巨大的热气球一样漂浮在高层大气中，以空气中的有机物为食；经典科幻《索拉里斯星》中，覆盖星球的海洋本身就是个智慧生命……然而，如果将来有一天我们真的发现了地外生命，或许会完全超出我们曾经的全部想象，更和我们之前制定的所有“宜居标准”完全不同。

卡尔·萨根想象的木星上的生命形式。来源：PBS《宇宙：一场个人之旅》

那，将会是生命带给我们的，真正的惊喜和朋克。

参考资料

[1] Earth-Size, Habitable Zone Planet Found Hidden in Early NASA Kepler Data 

https://www.nasa.gov/press-release/earth-size-habitable-zone-planet-found-hidden-in-early-nasa-kepler-data

[2] A Habitable-zone Earth-sized Planet Rescued from False Positive Status 

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab84e5

[3] Comparison between Earth and Kepler-452b and their host stars 

https://exoplanets.nasa.gov/resources/282/comparison-between-earth-and-kepler-452b-and-their-host-stars/

[4] PHL Summary of the Limits of the New Habitable Zone 

https://sites.google.com/a/upr.edu/planetary-habitability-laboratory-upra/library/notes/summarylimitsofthenewhabitablezone

[5] Seager, S., Huang, J., Petkowski, J. J., & Pajusalu, M. (2020). Laboratory studies on the viability of life in H 2-dominated exoplanet atmospheres. Nature Astronomy, 1-5.