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咱们的地球是一颗被植被和海洋包裹的行星，环绕着一颗亮堂的黄色恒星工作。咱们不可思议在与地球天壤之别的环境中，生命该怎么存活。
几十年来，地理学家们在寻觅宜居行星时一直把注意力放在类太阳恒星上。这个方向入情入理。首要，这类恒星的寿数约为100亿年，为生命的呈现供给了满足的时刻。其次，类太阳恒星相对安静，不像其他一些恒星会因活泼的耀斑和磁场活动对生命构成威胁。最要害的原因在于，仅有一颗已知的可寓居行星就环绕着这样一颗恒星运转。
不过，在曩昔的20年里，地理学家的爱好现已从类太阳恒星（即G型矮星）搬运到了彻底不同的一类恒星：M型矮星，也叫“红矮星”。后者的体积和质量都比类太阳恒星小得多，所以它们四周的行星更简单被发现；这类恒星自身也更常见，因而，地理学家们在它们周围发现了许多行星体系。跟着未来几十年更多的太空望远镜和地基望远镜投入使用，他们将找到更多这样的行星体系，其间一些行星 —— 包含环绕着比邻星、Trappist-1和LHS1140这些红矮星运转的行星—— 现已引起了广泛重视。
咱们或许在不久之后便能丈量这些行星的大气成分，并寻觅生物构成的“指纹”，即所谓的“生物符号”。咱们在太阳系外发现的第一颗宜居行星或许正环绕着与太阳不同很大的恒星运转。那样的当地真的会存在生命吗？
此前，地理学家一般以类地行星外表能否存在液态水来界定一颗恒星的宜居带。但真实的宜居需求考虑许多要素：从母恒星的光度和磁场活动，到行星的自转速度及其大气和地表的成分。关于红矮星而言，远景并不全然光亮，但生命或许依然能够以咱们不熟悉的方式，茁壮成长。
怎么“制造”一颗宜居星球
传统而言，地理学家依据温度估测液态水存在的区域，并依此判别恒星的宜居带。但真实的宜居性犹如鸡尾酒，是一系列相关要素“混合”的成果——有些或许令你颇感意外。
宜居赌局
红矮星或许是现在寻觅宜居行星的最佳地址。原因有许多，首要是数量上的绝对优势，这些不起眼的小小恒星约占银河系一切恒星的70%。因而，地理学家将望远镜转向恣意一片天空时，观测到的绝大大都行星都在环绕红矮星运转。其次，勘探系外行星最常用的两种技能—— 凌日法和径向速度法——在小恒星上效果更好。此外，构成红矮星体系的气体云坍缩，一般更简单构成小行星而非大行星。NASA的开普勒行星勘探航天器发现，虽然红矮星具有的气态巨行星数量远少于类太阳恒星，但它们具有的地球巨细的行星数量是后者的3.5倍。
无尽的风暴
红矮星很“嬉闹”。素日里，它们只展露巨大的弧形日珥和许多黑子，但跟着时刻推移，它们也会迸发剧烈的运动，这或许会损坏附近行星的大气层。从这张艺术概念图中，咱们不难理解为什么地理学家曾经以为此类恒星周围的一切行星都了无活力。
据估计，每4个红矮星体系中就有1个在宜居带包含一颗地球巨细的行星。综上，在红矮星周围勘探宜居行星不只比在其他恒星周围更简单，成功的机率也更高。惋惜的是，由于这些恒星比大大都其他恒星要冷得多，所以它们的宜居带离恒星更近。这就比如一个人有必要站得离小火堆更近，才干感受到在大火堆旁平等的热量。
如此近的间隔给轨迹行星的宜居性带来了许多杂乱的问题。首要，这种间隔会发生强壮的引潮力，阻滞行星的自转，然后影响其大气环流。这种潮汐确定对自转的阻滞效果或许微乎其微，也或许非常显着，乃至到达同步绕转，即行星总以同一侧朝向恒星——星球一面永久是白日，另一面则永久是夜晚。这样的环境下，生命还能生计吗？
最近，一项全球气候模型的研讨标明，厚厚的大气层能够将满足的热量输送到同步绕转的行星反面，以防大气被冻住；此外，同步绕转乃至也或许为宜居性发明有利条件：假设一颗潮汐确定的行星上有海洋，那么它的大气中对流更强，这是白日光照时刻更长的成果，或许会在行星正面发生厚厚的云 层。这些云将恒星的光反射回太空，下降行星阳面地表温度，缓解了温室效应的影响。
除了行星和母恒星之间的潮汐相互效果，行星之间也或许存在相互效果。由于M型矮星周围的行星常常严密地集合在一起，附近行星的引力或许会改动某颗行星的自转速度，乃至拉长或压扁它的轨迹形状。这或许导致一些行星全年的气候变化明显。不过，偏疼轨迹并非百害而无一益。当一颗处于偏疼轨迹的行星经过间隔恒星最近的方位时，引发的潮汐拉伸和揉捏能够加热行星内部，并驱动板块结构。科学家们以为这一进程能够收回碳和其他元素，进步宜居性。
永久年青，永久暴烈
绕转红矮星的行星面对的另一个杂乱问题与母恒星的反常长命有关。由于红矮星质量较低，它们焚烧核燃料的速度很慢，几乎便是恒星宗族中的乌龟，所以它们的寿数远善于类太阳恒星。质量最小的红矮星姑且需求数万亿年的时刻燃尽，而咱们的太阳只需求100亿年就与世长辞了。由于红矮星的生命周期比现在国际的年纪（138亿年）还要长，所以至今还没有逝世的红矮星事例。
从宜居性的视点来看，这或许是功德，也或许是坏事。一方面，红矮星的长命为生命的呈现、繁殖和进化供给了满足的时刻。这比地球上任何一种生命（包含人类）的前史都要悠长。或许在红矮星的行星上，生命现已进化到技能水平适当先进的程度，咱们无需操心去寻觅它们——它们会来找咱们。另一方面，红矮星的长命也意味着它们需求很长时刻才干稳定下来。恒星在年青时愈加活泼，会向自己的行星喷发耀斑和许多的极紫外（EUV）光。关于红矮星来说，这段动乱期能够继续10亿年之久，比如一段绵长的“两岁抵挡综合症”。在这段时期，强极紫外光会照耀行星外表，使海洋蒸腾，将水蒸气送上大气层并被辐射分解成氢和氧。氢比较轻，更简单逃逸到太空，而较重的氧会留下，构成一个富含氧气的国际。假设一颗行星一开始就有满足的水，能够度过母恒星的动乱期，那么它的宜居性就有望坚持。
Trappist-1体系或许便是这种状况，它是已知的在宜居带中具有最多行星的红矮星体系。最近的研讨标明，体系中或许至少有一颗有满足的液态水来坚持宜居的地表条件。而这个体系也并非孤例：开普勒太空望远镜勘探到的数千颗行星的数据标明，国际中或许存在很多含水星球。
七处天然居所
Trappist-1行星体系中心是一颗红矮星，虽然条件恶劣，但那里或许存在宜居的行星。
不过，即使那些行星留得住海洋，或许依然不宜居，由于环绕着一颗凉快的小恒星运转会带来一些“副效果”。激烈的星风或许剥除行星大气层，使得体系里的行星无法寓居。此外，激烈的紫外光、红矮星频发的耀斑，或许消除行星大气中的大部分臭氧，而臭氧是维护行星外表免受有害紫外光照耀的要害要素。当然，大气损耗的程度或因恒星的不同而异，地表条件也或许下降这一风险。举个比如，假设星球上有大片海洋，那么即使没有厚厚的臭氧层，生命依然能够在水下成长。
由于行星间隔恒星太近，行星的磁场也会受到影响。磁场从来被视作宜居行星的特征之一，由于它能够维护大气层免受恒星耀斑活动、带电粒子和国际射线的损伤。但不幸的是，环绕红矮星运转的行星们的磁场或许非常弱。这个课题现在依然是个抢手研讨范畴。
生命之光？
红矮星和其他恒星之间的另一个要害区别是，它们发生的光的类型，以及行星接收到的光的类型。在地球接收到的日光中，可见光和紫外光占了大部分，但红矮星宣布的主要是波长较长的光（尤其是红外波段）。这种差异关于行星是否宜居至关重要。
峰值波长
越冷的恒星宣布的大部分辐射波长越长。太阳宣布的光主要是可见光和紫外光，而红矮星宣布的光更多是红外光——这一差异或许会影响其行星上的重生生命。
行星大气中普遍存在的分子如水、二氧化碳和甲烷，会许多吸收红外辐射。大气层吸收的热量越多，行星就越温暖。因而，虽然红矮星自身又冷又暗，它们的行星更简单坚持温暖的地表温度。
水冰和雪也能够许多吸收红外光。在地球上，水冰反射太阳光的短波，把它们送回太空，给地球降温，然后构成更多的冰。但在一颗环绕红矮星运转的行星上，冰和雪反而会吸收来自恒星的大部分光。这种变暖效应，使得这些含水丰厚的行星或许更能抵挡冰冻。
事实上，这些行星对极点气候具有适当高的抵抗力。科学家们刚刚开始研讨不同类型的地表环境对红矮星行星的气候影响。不过现在得出的定论并不彻底达观，关于不同的外表——从不同品种的土壤和植被到海洋和冰——怎么与红矮星宣布的光相互效果，咱们了解得远远不够。
生命的火花
现在要全面答复红矮星行星上或许存在何种生命的问题或许为时尚早。但咱们能够问一个愈加详细的问题：光合效果或许发生吗？
火与冰
在地球上，水冰会将波长相对较短的日光波段反射回太空，使地球降温，然后构成更多的冰，反射更多的阳光，进一步下降地表温度，循环往复；但在红矮星的行星上，水冰会吸收来自恒星的波长较长的光，构成加热效应。
在地球上，植物使用叶绿素将太阳光和二氧化碳转化为营养，叶绿素能许多吸收可见光谱规模内的星光，并在这个进程中发生氧气。这对动植物的呼吸和地球周围起维护效果的臭氧层的发生都至关重要。
考虑到红矮星宣布的可见光很少，咱们所知道的光合效果或许无法在这类恒星周围的行星上进行。不过，这些行星上的生命或许会进化至能够使用最易取得的星光。那里的植物或许会吸收光谱规模更广的辐射，乃至使用红外波段的光。这类恒星的耀斑也或许供给往常的星光无法供给的东西。在这种状况下，植被的成长将不再取决于时节，而是取决于红矮星的活泼周期，这是一种非同小可的共生图景。
这种联系在紫外线波长下或许愈加重要—— 而且非常要害。研讨人员以为，在构成根本生命的化学进程中，紫外线辐射是个必要条件。假设真的如此，那么M型矮星缺少紫外线将对生命的开展构成妨碍。但耀斑或许能处理这个问题：每次恒星迸发都会释放出许多的紫外线光子，炮击行星。这或许能补偿固有的缺乏——供给满足的光促进生命呈现。
咱们才刚刚开始了解这些恒星周围的国际是什么样的。但在未来十年，太空和地面上的一众项目将凭借活络的仪器，观测到许多小型类地行星。在后续的研讨中，咱们或许会从它们的大气中发现生物特征，然后告知地理学家生命存在的或许性。假设存在一颗正环绕着红矮星运转的宜居行星，那么咱们现在真的有时机找到它了。
原文/《天空与望远镜》杂志2019年8月期
来历：我国国家地理
