很少有科學問題比「宇宙中我們孤獨嗎？」更有普遍吸引力。數千年來，對外星生命的探索一直激發著人類的想像。在首次發現一顆圍繞非太陽恆星運行的行星近 25 年後，天文學家比以往任何時候都更接近找到答案。
哈佛大學天文學家戴維·夏博諾（David Charbonneau）表示：“即使不是所有人，大多數人也會在一生中的某個時刻想知道其他行星上是否存在生命。” 「我們實際上可以回答這個問題……我們知道我們必須建造什麼樣的望遠鏡」才能找到答案。
然而，由於關於如何識別最有可能存在生命的行星的長期爭論，這項努力可能並不那麼簡單。 9月11日，天文學家宣佈在地球大氣層中發現了水蒸氣，這場爭論達到了白熱化。附近的系外行星 K2 18b(序號：2019 年 9 月 11 日）。
這顆行星的吸引力來自於它位於恆星「宜居帶」的位置——通常被定義為溫度適宜液態水存在的區域，液態水被認為對生命至關重要。天文學家報告稱，K2 18b 甚至可能有雨雲。
這並不意味著你應該收拾好雨傘就走。 「僅僅因為一顆行星位於宜居帶，並不意味著它適合居住，」加州理工學院和美國宇航局系外行星科學研究所的天體物理學家傑西·克里斯蒂安森說。 “如果你詢問 100 位天文學家，其中 99 位會說這顆行星不適合居住。”
事實上，已知大約 192 顆系外行星的大部分軌道都在其恆星的宜居帶內運行，除了 24 顆外，所有行星都可能是像木星這樣不適合居住的氣態巨行星。即使像火星這樣的岩石行星位於宜居帶，也不能保證任何東西都能在那裡生存。科學家認為這顆紅色星球擁有承載生命的可能性有爭議(序號：2018 年 1 月 10 日）。
精挑細選
截至10 月1 日已發現的4,118 顆系外行星中，只有24 顆可能符合宜居性標準：它們的質量和半徑表明它們具有類似地球的岩石表面，並且大部分時間在距支持液態水的恆星在一定距離處運行。
已知的系外行星，依潛在宜居性排序
來源：hzgallery.org, SR Kane 和 DM Gelino/太平洋天文學會2012年
那麼，當你被困在地球上時，如何找到一個適合居住的星球呢？首先重新思考該術語的定義。一些天文學家認為，「宜居帶」這個詞過於笨拙，包括那些沒有機會適合居住的行星，而排除了其他可能存在的行星。來自不同學科的科學家正在尋求礦物物理、化學和生態學的見解來完善宜居性的概念。
旨在尋找生命的新太空觀測站可能會在明年獲得美國太空總署的批准。夏博諾說，也許需要升級的不僅僅是用於定義宜居性的詞語，還有用於尋找宜居性的設備。 “我們沒有合適的望遠鏡。”
不只是任何星球
從 20 世紀 50 年代開始，當天作家談論尋找其他宜居世界時，他們完全專注於像地球這樣的行星。在 1993 年的一篇論文中伊卡洛斯,賓州州立大學的地球科學家詹姆斯·卡斯廷為當今最流行的“宜居帶”定義奠定了基礎：這是“宜居區”，對於液態水來說，這裡的溫度不會太熱或太冷。但這標準並不適用於宜居區內的所有行星：卡斯廷的模型僅適用於具有類似地球大氣層、由二氧化碳、水和氮氣組成的岩石行星。
日本宇宙航空研究開發機構的天文物理學家伊麗莎白·塔斯克表示，“任何類型的行星都可以在宜居帶內運行”，但只有此類類地行星的表面才可能有液態水。 “我們都秘密地知道這一點，因為月球和火星都在宜居帶內運行，但兩者都沒有湖邊的休養所。”
早在 1993 年，雖然已經發現了一些普通恆星周圍的系外行星，但還沒有已知的系外行星繞脈衝星運行，一個快速旋轉的恆星屍體（序號：2015 年 9 月 3 日）。 「我認為這完全是理論上的，」卡斯廷說。
然而兩年後，研究人員首次發現了一顆圍繞著類日恆星運行的行星。這顆行星，51 Pegasi b，是一顆熱木星，距離它的恆星太近，不適合居住。但這標誌著系外行星天文學的正式誕生。從那時起，已經發現了 4000 多顆其他系外行星，還有數千顆候選行星等待確認。
「事情已經從那裡起飛了，」卡斯廷說。 “現在它是一個觀測領域，而不是一個理論領域。”
尺寸和表面
在恆星宜居帶中發現新世界的興奮之中，這兩個關鍵特徵——岩石表面和正確的大氣混合——經常被遺忘。但我們有理由認為它們對於行星的實際宜居性很重要。
麻薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森天文物理中心的天文學家勞拉·克雷德伯格(Laura Kreidberg) 表示，如果一顆行星氣態過多，大氣壓力和溫度就會太高，使得DNA 等複雜分子無法保持穩定。
複雜的化學可能會受到一種稱為“算術惡魔”的現象的阻礙。在瀰漫的氣體氣氛中，原子可能需要很長時間才能彼此相遇、反應並形成新分子。
「這兩個因素——算術惡魔和表面的缺失——對於形成行星上生命的組成部分來說確實是個壞消息，」克雷德伯格說。
這就是 K2 18b 的部分問題：尚不清楚它是否有岩石表面。判斷系外行星由什麼組成的唯一方法是測量它的半徑，即它穿過恆星前方時阻擋的星光量，以及它對恆星的引力所產生的質量。質量和半徑共同告訴科學家行星的密度，這是成分的線索。但天文學家並不總是能夠同時測量兩者。
天文學家很幸運地發現了 K2 18b，測量到的質量約為地球的八倍，半徑是地球的兩倍以上。這意味著世界的密度與火星相似。雖然在 K2 18b 大氣層中發現水的團隊認為這顆行星可能是陸地行星和岩石行星，但其他研究人員並不太確定。
小行星往往分為兩類：岩石超級地球和氣體迷你海王星(序號：2017 年 6 月 19 日）。雖然小於地球半徑 1.5 倍的行星似乎是岩石行星，但那些半徑在地球半徑 1.5 倍左右或更大的行星似乎大多是迷你海王星。 K2 18b 比那大得多。
「它絕對是蓬鬆的，」哥倫布俄亥俄州立大學礦物物理學家溫迪·帕內羅說。科學家們不太了解行星核心的岩石在氣體行星大氣層深處的高溫和高壓下會如何表現。它可能是熔岩，也可能是擴散的邊界，不清楚大氣在哪裡結束，岩石在哪裡開始。 「我們對界面的材料特性了解不夠，」她說。
了解行星的密度也不足以判斷它是否有類似地球的表面。畢竟，金星的大小和質量幾乎與地球相同，而且比宜居帶更接近太陽。但金星的大氣化學物質在其表面發出嘶嘶聲在鉛熔化溫度下（序號：2/13/18）。
「金星向我們發出警告，尺寸並不代表一切，」加州大學河濱分校的行星天文物理學家史蒂芬凱恩說。 “那顆行星正在向我們尖叫，行星的宜居性很複雜。”
展望區域外
實驗於地球物理實驗室測試不同礦物在高壓和高溫下的作用可能有助於確定哪些世界適合居住（序號：2018 年 5 月 11 日）。
坦佩亞利桑那州立大學的系外行星地質學家凱曼·溫特博恩(Cayman Unterborn) 表示，透過這項對礦物物理學的研究，以及有關不同類型行星如何形成的理論，「我們也許可以說，這顆行星更有可能是金星而不是類地行星」 。
有些宜居世界甚至可能位於宜居帶之外。土星的衛星土衛六擁有含有乙烷和甲烷的湖泊和河流，是太陽系中最豐富的衛星之一。天體生物學的有吸引力的目的地(序號：2019 年 6 月 27 日）。其他土星和木星的冰冷衛星可能在其冰凍外殼下存在生物圈，那裡的條件有時允許液態水（序號：2014 年 5 月 2 日）。它們都不在太陽的宜居帶內。
「宜居帶並不是唯一可能存在生命的地方，」北卡羅來納州立大學羅利分校的行星地質學家保羅·伯恩說。 “當它被用作尋找生命的地方時，這些細微差別幾乎不會被傳達出來。”
正好
宜居帶（在紅矮星 K2 18 的行星系統圖中以綠色顯示）指的是恆星周圍的區域，那裡的溫度被認為適合液態水，因此也適合生命存在。但在該區域內運作並不意味著行星適合居住，在該區域外運行並不排除存在生命。
繪製恆星的宜居帶
任何其他名稱的區域
由於對宜居帶的缺點感到沮喪，天文學家提出了其他名稱：溫帶、液態水、狩獵區（因為那是天文學家尋找生命跡象的地方）和生態圈，僅舉幾例。克雷德伯格建議恢復最近已經過時的“金髮姑娘區”，作為一個不那麼含糊的選擇。克里斯蒂安森開玩笑地建議埃查爾沃茨區，「地球表面可能有液態水」（發音為 ekkulwots）。
「你立刻就會明白為什麼我們正在努力尋找可能流行的替代方案，」塔斯克說。這些術語與原始術語存在一些相同的問題：無論如何指定，該區域中的每顆行星都不是溫帶或潮濕的，而其他候選行星可能因不符合新定義而被排除在外。
因此，一些天體生物學家正在嘗試設計類似可居住性指數的東西，可以考慮更多的數據和特徵。在最近的一個例子中，波多黎各大學阿雷西博分校的天體生物學家阿貝爾·門德斯從生態學中獲得了靈感。
「天體生物學家認為衡量宜居性非常困難，」門德斯說。 “但是生態學家在 70 年代也遇到了同樣的問題”，當時美國魚類及野生動物管理局提出了一種方法來衡量土地和水的開發可能如何影響附近的植物和動物。該機構的棲息地適宜性指數衡量了在考慮有多少可用能源的情況下，給定環境可以維持多少生物量。
Méndez 和同事修改了該指數，並於 2018 年在德克薩斯州伍德蘭舉行的月球和行星科學會議上提出了該指數。研究人員的方程式包括五個用於判斷行星宜居性的變數：行星接收的星光量、行星的半徑、其反射率、表面被海洋覆蓋的比例以及大氣密度。
確定最後三個變數超出了目前望遠鏡的能力範圍。 「這個框架準確地告訴你必須衡量什麼，」門德斯談到他的團隊的宜居性指數時說道。他認為所需的技術可能需要 10 到 20 年才能實現。
其他天文學家質疑這種指數的實用性，因為其他可能影響宜居性的因素包括活躍的地質循環、熔融的核心、板塊構造、向大氣中排放氣體的火山以及導致宜居性的磁場。保護它免受恆星耀斑的影響(序號：2018 年 3 月 5 日）。
這些因素也無法從地球上偵測到。有些可能永遠不會。
「你可以列出一個很長的清單，」哈佛大學天文學家夏博諾說。 “如果我無法用望遠鏡探測到微生物，即使在潮汐加熱的月球上隱藏著微生物也沒關係。”
忘記可居住性，只尋找生命
擬議中的一對望遠鏡可能很快就能提供直接搜索生命跡象的能力。
「如果你想確定你是否可以收拾行李去那裡，你需要一個生物簽名」——這個標誌表明生命改變了地球大氣層的化學成分，凱恩說（序號：2016 年 4 月 19 日）。 “如果我們檢測到明確的生物特徵，那就意味著根據定義，這顆行星是適宜居住的，因為那裡生活著某種東西。”
美國太空總署目前正在評估兩台望遠鏡的計劃，這兩台望遠鏡將能夠掃描類地系外行星的天空。宜居系外行星觀測站，或入境處，會拍攝十幾個圍繞著類日恆星運行的類地系外行星的照片。大型紫外線/光學/紅外線測量儀，綽號盧沃，也會做同樣的事情，但對於最多 100 個行星。兩台望遠鏡都將在行星大氣層中尋找生命的化學痕跡。
「下一組儀器的設計目的是解開這些真正類地行星的大氣層中的成分，」克里斯蒂安森說。
Kasting 表示，儘管如此，宜居區的概念對於設計 HabEx 和 LUVOIR 等項目還是很有用的。關注與恆星的特定距離可以告訴工程師要製造多大的望遠鏡。兩台望遠鏡的設計都採用了Kasting 早期定義的 2013 年更新，來自位於馬裡蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的天文學家拉維·科帕拉普（Ravi Kopparapu）領導的一項研究。
「我們很保守，並試圖設計望遠鏡來看到我們可能認識的東西，」卡斯廷說。 “如果生命不像我們，就很難認識它。”
如果最終發現生命跡象，關於「宜居區」一詞的爭論可能就會消失。研究真正的外星人將為科學家提供更重要的主題。
