问答：如何评估其他行星的宜居性

如今，每颗系外行星的发现都令人兴奋不已，因为天文学家仔细研究了每颗遥远的世界并考虑了其可能的特征。但随着已确认的系外行星数量攀升至数千颗，这很快就会变得乏味。到那时，天文学家，尤其是天体生物学家将不得不开始根据行星的有趣程度对其进行筛选。下个月即将发表的一篇新论文描述了一种新的两步排名系统，以使这个过程更容易。我们采访了天体生物学家 Dirk Schulze-Makuch 以了解一些细节。

与其他天体生物学标准不同，这个新系统并不假设宜居性只适用于有液态水的岩石地区。新论文的第一作者、华盛顿州立大学的天体生物学家 Dirk Schulze-Makuch 表示，该团队希望尽可能保持开放的心态。

他们提出的地球相似性指数考察了行星或卫星的大小、密度和轨道距离，以及其恒星的大小和温度，并将其与地球进行比较。伴星宜居性指数则基于某种稳定基质、能源、适当的化学性质以及容纳液体溶剂（不一定是水）的可能性。两者都使用从 0 到 1 的尺度。

那么，宇宙中除了这里以外，最像地球的宜居之地是哪里呢？在蓬勃发展的系外行星万神殿中，它是 Gliese 581d，其指数为 0.74。PHI 有一些不同的结果，最好的选择似乎是土卫六，其指数为 0.64。顺便说一句，火星的指数为 0.59。

然而，这些数字的意义完全取决于用于告知它们的数据，因此研究人员强调还有更新和改进的空间。

PopSci 与 Schulze-Makuch 进​​行了交谈，以了解有关孪生指数的更多细节以及它们如何帮助天文学家进行星系间分类。

PopSci：您认为为什么存在几颗宜居系外行星？

德克·舒尔茨-马库赫：目前，我们发现的系外行星仍然主要偏向气态巨行星，因为它们更容易探测。但随着研究时间的延长，我们离类地行星越来越近。其中大多数仍然是超级地球。

令我非常兴奋的一颗行星是格利泽 581d，它的质量约为地球的 10 倍。它绕着一颗红矮星运行，因此它是一颗不像太阳那么明亮的恒星。它的轨道更靠近中心恒星，但如果按照我们的太阳系标准来衡量，它的轨道基本上与火星相似。与地球相比，火星相当小，但如果火星在我们的太阳系中质量是地球的 10 倍，并且仍然有磁场和厚厚的大气层，那么它就会有液态水海洋。这样一来，它就是一颗宜居行星。

我们提出的方案的重点实际上是对已发现和即将发现的众多系外行星进行优先排序和分类。目前，我们已经确认的系外行星超过 700 颗，尚未确认的行星约有 1,500 颗。而且，这个数字很快就会达到数千颗。由于我们的资源有限，尤其是在这些预算紧张的时期，我们真的必须考虑将资源投入到哪里。哪些行星适合生命存在，哪些行星是我们想要研究的？

在我们的太阳系中，从天体生物学的角度来看，真正有趣的行星只有大约 15 个。但是我们发现了如此多的系外行星，我们真的必须集中资源。其中一些实际上距离相对较近。Gliese 581 系统距离我们 20 光年。它很远，但从整体上看并不算太远，所以这确实应该引起我们的兴趣。

那么，这种新的分类方案是如何运作的呢？为什么土卫六看起来比火星更好？

我们提出了两个指数。一个是地球相似性指数，它基于行星的大小以及与地球的相似程度。第二个是行星宜居性指数。在这个指数中，我们采取了不同的方法，非常开放。可能存在不位于传统宜居带的行星，即类似地球的轨道上可能存在液态水。在这个指数中，[土星的卫星土卫六] 位于火星之上。

原因是土卫六的大气层相对较厚，由氮和甲烷组成。它实际上非常接近早期地球。土卫六上有碳氢化合物湖，所以有液体溶剂，但这种溶剂不是水。碳氢化合物作为溶剂可能是可能的。我们知道碳对有机物非常有效，土卫六上有很多复杂的碳化合物，所以这是我们必须研究的东西。

另一个例子是木卫二——正如美国宇航局上周宣布的那样，在该卫星的冰层下有一个液态海洋。

宜居性究竟意味着什么？您如何定义这样的概念？它完全与您研究的地方有关？

有几个参数。例如，一个参数是行星是否有大气层。行星上是否有碳。我们会寻找氮和磷。行星上是否有磁场来保护它免受宇宙辐射。行星表面是否有稳定的液体溶剂。

通过这种分类，我们故意不以地球为中心。我们并不是说必须有液态水，或者它必须像地球绕太阳一样在轨道上运行。我们寻找有机化合物，但并不是说它必须是氨基酸或其他东西。

我们的参数之一是找到生物仍能进行光合作用的地方。在我们的太阳系中，这个范围从水星一直延伸到土星。显然，地球、火星和金星处于更合适的区域，但理论上土星也可能是合适的区域。因此，如果你有一个光输出较少的棕矮星，那么这颗行星必须更靠近你，这样你才能获得足够的光进行光合作用。我们尽量保持开放的心态。

随着开普勒太空望远镜（和科罗望远镜）发现更多系外行星，我们开始更加仔细地思考如果真的找到生命，它们会是什么样子。SETI 研究所的塞思·肖斯塔克甚至建议我们不仅要寻找智能生物系统，还要寻找智能机器。您的新系统是否考虑了其中任何一个因素，即可能存在智能生命或机器的行星？

我们的方法是研究一般生命。在之前的论文版本中，我们确实有一个生物复杂性指数。对于某些复杂的微观生命，我们定义了参数，并说这个星球上可能有更复杂的生命。但我们认为这实在是太过推测了。在微生物或一般层面上，我们有更好的想法，所以制定一个一般的宜居性指数会更容易。

对于地球，对于某种外部观察者来说，探测任何类型的航天器都非常困难。它们太小了。但你能探测到的是臭氧和甲烷，这些化合物并不稳定。它们必须不断地复制。如果它们不能被复制，你就会从这些化合物中得到二氧化碳。但我们确实测量了臭氧和甲烷，这意味着存在某种平衡，而且有某种东西产生了。这是生命的通用生物特征。

这也适用于智慧生命，但如果 500 万年前有类似这个星球的东西会怎样？那里可能有复杂的生命，但绝不是智慧生命。

这种新分类有哪些潜在的缺点？

DSM：我们无法做的一件事就是研究行星的行星历史。我们总是在特定时间看到它。这对于火星来说尤其重要。目前的火星，就其行星宜居性而言，低于土卫六。但古代火星，在形成 5 亿年后，上面看起来有一片海洋。那里有沉积物，有流动的河流。那时，它仍然有磁场，还有更厚的大气层。所以古代火星的指数会高得多。但我们现在无法从任何系外行星上知道这一点。火星现在仍然相当高，但过去它曾经更高，从这一点我们可以推断火星上仍有生命的可能性很大。但对于系外行星，我们无法做到这一点。

我们只是想确保不会错过任何有利的目标。如果发现系外行星的人说：“好吧，这颗行星不在地球轨道上，所以默认情况下它没有机会”——我们希望客观地设置某种参数，你可能会说，“这不是一个类似地球的行星，但对于可能存在于那里的某种奇异生命形式来说，这仍然是一颗非常有趣的行星。”

您认为我们何时会在其他星球上发现生命？

我认为这一发现将首先出现在我们的太阳系中，我认为火星和土卫六是可能性最高的两个地方。火星可能是最有可能的，因为它的历史和它与地球的距离很近。我们知道有小行星可以在两颗行星之间穿梭。如果我们知道早期地球上存在生命，而火星非常适合生命，那么火星上应该有生命，我们只需找到它并确认它。

泰坦星上的生命可能性很小，但会更令人兴奋。如果我们真的发现了生命，那将是奇异的；它将与我们的身体生物化学截然不同。泰坦星上有这些乙烷和甲烷湖，这太不同了。这可能意味着生命起源于另一个星球。对我来说，那将是最令人兴奋的事情。在火星上，这仍然会非常令人兴奋，但你只能说一些关于生命早期进化的事情；你无法说一些关于生命在宇宙中有多普遍以及它们可能有多不同的事情。

有了系外行星，我们可能会发现一些生物特征。但在如此遥远的距离，确认这一点将非常困难。如果你从事天体生物学研究，你真的必须近距离接触。我看不出这该怎么做，除非是一个智能文明向我们发送信号或类似的东西。但你可以说，“那是一颗非常适合生命的行星。”是否有生命将极难证明。