是什么让一颗行星适合居住？我们的假设可能是错误的

艺术家对潜在可居住系外行星Proxima b的插图，它围绕红矮星Proxima Centauri运行。 （图片来源：ESO / M. Kornmesser）
Paul M. Sutter是SUNY Stony Brook和Flatiron Institute的天体物理学家，”Ask a Spaceman”和”Space Radio”的主持人，也是”How to Die in Space”的作者.com。见解。

还记得《帝国反击战》中那个被冰雪覆盖的世界霍斯吗？虽然有些生物在地球表面消失了，但这是一个非常悲惨的居住地 – 并且通常被认为是不适合居住的，因为那个世界的所有含水量都冻结了。当我们继续发现成千上万的行星围绕其他恒星运行时，特别是当我们缩小对类地行星的搜索范围时，我们可能想问：这些被冰覆盖的行星有多普遍，它们是否能够承载生命？

像往常一样，答案是，这取决于。根据天体物理学家国际合作进行的新模拟，行星上的水量极大地影响了它变成冰球的容易程度。对于像地球这样的行星来说，仅仅减少8%的阳光就足以让它冻结。但更干燥的行星更加坚固，将可居住性的界限推向了我们目前的限制之外，并扩大了在另一个世界寻找生命的选择。

我们不知道类地行星有多常见，特别是那些覆盖表面的水比例大致相同。地球的70%或多或少是常见的吗？我们的星球有多特别？我们将不得不等待几十年，并进行更多的系外行星调查，才能为这类问题找到确切的答案。与此同时，我们可以使用计算机模拟来探索各种行星在其家庭系统中的行为和进化。

但行星是复杂的，这些行星的温度取决于许多因素。显然，它们接收到的阳光量非常重要。但地球的反射率也是如此，因为辐射只是从表面反弹并逃逸到太空中，不会导致变暖。大气中的水分含量也是如此，这使得温室效应可以大大温暖一个星球（正如我们目前在地球上由于人类活动而经历的那样）。

以陆地行星为例，它们的表面只有少量的液态水。如果你把一颗与地球大小完全相同的陆地行星放在地球围绕太阳的轨道上，它会比我们的星球更冷，因为大气中的水蒸气会少得多，所以它的温室能力会降低。

然而，在减少的阳光水平下，陆地行星实际上会变暖，因为它的云层更少，表面的积雪更少。这将使地球的反射率降低，并且能够更好地捕捉多汁的阳光以保持温暖。

从地球到霍斯

将这一思维过程推向极端，一组国际天文学家研究了陆地行星的演化，同时改变了这些行星接收的阳光量。不出所料，他们发现，当你给一颗行星降温太多时，它就会冻结。但他们也发现，陆地行星的寿命远远超过它们类似地球的水上表亲，科学家们在11月发表在预印本数据库arXiv的一篇论文中报告说。

问题是水：当一颗行星稍微冷却一点时，它的一些液态水会变成冰。因为冰比水更闪亮，所以那一点点额外的冰反射更多的阳光，阻止阳光继续温暖地球。因此，地球冷却得更多一点，形成更多的冰，反射率上升了一点点。重复这个过程，你最终会得到一个反向失控的温室效应，称为失控的冰川作用——从本质上讲，这个星球把自己变成了一个巨大的雪球，科学家们解释说。

先前的工作已经表明，在地球的情况下，如果我们接收的阳光仅下降8%，并且我们保持大气中目前的二氧化碳水平，那么就足以建立这种灾难性的循环。事实上，这种”滚雪球地球”现象在我们星球的地质史上可能已经发生过一两次。

但是陆地行星可以比水行星更长时间地避免这种情况，仅仅是因为陆地行星缺乏足够的水来覆盖其大部分表面。研究人员在他们的模拟中发现，具有相同二氧化碳量的陆地行星可以承受一颗恒星，其亮度仅为太阳亮度的77%，而不会完全冻结。

可居住性的边缘

这种逻辑也朝着相反的方向发展。水蒸气是一种关键的温室气体，所以如果你调高太阳的热量，像地球这样的行星会把自己变成像金星一样的东西：它会升温，向大气中释放更多的水，这会捕获更多的热量，反过来释放更多的水——依此类推，直到出现失控的温室效应。事实上，我们的星球最终注定要遭遇这种命运：在几亿年后，太阳将变得明亮和炎热，足以引发这种情况。

由于陆地行星缺乏大量的水分，因此它们大气中的水蒸气总是较少。调高热量，然后…没什么大不了的。事实上，你可以把一颗陆地行星放在一颗恒星周围，这颗恒星的热量比太阳多80%，而且它会做得很好，新的模拟发现。

这一结果极大地改变了我们对行星适宜居住的假设。恒星周围的宜居带是液态水可以存在于表面的估计区域，这意味着它既不太冷而无法冻结，也不太热而无法蒸发。但早期对宜居带的估计假设了类似地球的成分，其表面的水量与地球相同。

然而，陆地行星比地球坚硬得多。它们保持液态水也比传统的可居住性计算所显示的更接近和更远的恒星。这意味着，如果我们要找到一颗位于传统宜居带之外的地球大小的行星，我们不应该把它一笔勾销。

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