我们所在的银河系角落充满了外星世界。自发现太阳系外第一颗行星以来的 25 年里，天文学家已经发现了 3,600 多颗围绕其他恒星运行的行星。尽管围绕恒星运行的行星比太阳小得多、温度低得多（而且在许多方面更为严酷），但少数行星已成为寻找生命的诱人目标。
天文学家于二月份宣布，距离我们仅 39 光年，七颗行星（大小与地球差不多）围绕着一颗被称为 TRAPPIST-1 的暗红色恒星旋转（SN：3/18/17，第 6 页）。其中三颗行星可能适宜居住。今年 4 月，一个研究小组报告发现另一颗紧靠红色太阳的行星 LHS 1140b，欧洲南方天文台的研究人员称，这可能是寻找生命迹象的最佳候选者。去年 8 月，天文学家发现，一颗名为 Proxima b 的小行星不仅围绕着距离太阳最近的恒星（一颗红色邻居）运行，而且也可能支持生命（SN：9/17/16，第 6 页）。
所有这些星球都围绕着被称为 M 型矮星的暗红色恒星运行，M 型矮星是银河系中最常见的恒星类型。在围绕 M 型矮星发现的约 200 颗行星中，有数十颗位于令人垂涎的宜居带。在这个恒星周围的区域，行星的温度可能适合液态水的存在，而液态水被广泛认为是生命的基本成分。
但 M 型矮星与太阳截然不同，它们的行星可能是一个艰难的生存之地——“银河系的低收入地区”，西雅图华盛顿大学的天体物理学家维多利亚·梅多斯 (Victoria Meadows) 说。剧烈的耀斑、明亮的开端和最内层行星的强大引力对任何可用的液态水来说都是灾难性的。
预计在 M 型矮星周围的宜居带中会发现更多行星。因此，研究人员希望更好地了解这些行星面临的情况。新的观测和计算机模拟表明，虽然 M 型矮星很难保留大量的水，但并非一切都失去了希望。
“总有办法解决这些问题，”华盛顿大学的天体物理学家罗里·巴恩斯说。M 型矮星及其行星家族数量众多，这些行星可以在许多条件下成长和演化。越来越清楚的是，这些恒星周围的任何宜居地点可能都与地球截然不同。
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到达那里
在迄今为止发现的 52 颗可能适宜居住的系外行星中，51 颗已知距离地球，13 颗最有可能适宜生命生存。其中，距离地球最近的大多数行星围绕 M 型矮星（红色）运行。其余行星围绕 K 型矮星（蓝色）和类太阳恒星（橙色）运行。
探索下面的交互式图形来了解有关单个系外行星的更多信息。
C.克罗克特；H.汤普森
一份乐观的清单
M 型矮星占银河系数千亿颗恒星的 70%。它们温度低，体积小，至少对于恒星而言是如此。比邻星是一颗 M 型矮星，也是距离太阳最近的恒星，温度约为 2,800° 摄氏度。这比太阳低约 2,700 度，因此比邻星发出柔和的光芒。许多 M 型矮星并不比木星大多少，木星的宽度仅为太阳的十分之一。所有这些意味着，从地球上用肉眼无法看到任何一颗 M 型矮星。比邻星的亮度约为我们肉眼无需望远镜就能看到的最暗恒星的百分之一。
由于 M 型矮星质量极轻，因此其核燃料的消耗速度不如质量更大的同类快。因此，它们的寿命极长。例如，一颗质量约为太阳十分之一的恒星的预计寿命约为 12 万亿年——是宇宙当前年龄的 800 多倍。对于围绕这些恒星运转的任何行星而言，这段时间足以让生命诞生和演化。
M 型矮星似乎是多产行星的恒星。这些暗淡恒星拥有 3.5 倍的小行星（定义为直径为地球 1 至 2.8 倍的行星），与太阳相似的恒星也拥有类似的行星。与温度稍高一些的 K 型矮星和太阳相比，M 型矮星在宜居行星方面可能处于领先地位。
“宜居”并不意味着有人居住，也不一定意味着宜居。对于大多数系外行星，天文学家无法直接测量气候或大气。他们所知道的只是行星接收到的太阳能量足以让其表面存在液态水。尽管外星生命的需求可能与地球生物截然不同，甚至可能不需要水，但科学家们在寻找生命时还是采取了随遇而安的方法。
保守估计，已知的系外行星有 13 颗“宜居”，其中 11 颗位于 M 型矮星周围。估计数据来自行星宜居性实验室在阿雷西博的波多黎各大学。然而，确切的数字难以确定，因为有多种方法来估计宜居带的边界。目前还不清楚一颗行星有多大，同时仍然拥有可供生命生存的固体表面。阿雷西博的研究人员将标准扩大到更大的行星和更宽的宜居带，发现了另外 39 颗宜居系外行星（20 颗围绕 M 型矮星运行，6 颗围绕类太阳恒星运行）。这使得更乐观的潜在宜居行星名单达到 52 个。
M 型矮星之所以如此引人注目，部分原因是在这些恒星周围更容易找到宜居行星。一颗行星要想在如此寒冷的恒星周围保持温暖，就必须挤在一起，这为被注意到提供了最好的机会。距离较近的行星对恒星的引力更强，更容易探测到恒星的摆动。而且由于这些行星绕恒星旋转的速度比遥远的行星要快，恒星亮度的下降以及恒星速度的变化将更常见。
M 型矮行星可能仍将占据宜居星球榜单的主导地位。但宾夕法尼亚州立大学地球物理学家詹姆斯·卡斯廷表示，在适合液态水生存的气候方面，M 型矮行星面临诸多障碍。
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卷成一团
在我们的太阳系中，宜居带（绿色）延伸超过 1.6 亿公里，从金星外（距离太阳约 1.1 亿公里）一直延伸到火星外。在温度相对较低、宽度仅为太阳 11% 的 TRAPPIST-1 恒星周围，宜居带距离更近、更窄。该恒星的三颗行星位于宜居带内。（行星未按比例绘制。）
资料来源：NASA 空间科学数据协调档案；行星宜居性实验室/波多黎各大学阿雷西博分校；M. Gillon等人/自然2017
保水
最大的挑战之一——最近才发现——是如何在恒星的早期生存下来。M 型矮星很暗淡，但它们一开始并不是这样。巴恩斯说，当它们开始发光时，它们的亮度可能与我们的太阳大致相同，最多是它们最终亮度的 100 倍。一颗 M 型矮星可能需要几亿年才能稳定下来，达到它一生中将保持的低亮度。像太阳这样的恒星一开始也比最终更亮，但它们的衰减速度要快得多，只需要 M 型矮星大约十分之一的时间。
一颗如今位于 M 型矮星宜居带的小行星，在其诞生的数亿年中曾受到更强烈的光线照射。巴恩斯和华盛顿研究生罗德里戈·卢格利用计算机模拟表明长时间暴露在明亮的星光下可能会使行星大气层失去水分留下一个贫瘠的世界。研究小组在 2015 年报告称，水的流失量取决于行星的质量、与恒星的距离以及最初的水量。天体生物学. 一颗“宜居”的 M 型矮星，例如格利泽 667Cc，其质量约为地球的 3.7 倍，与其恒星之间的距离约为地球与太阳之间的距离的十二分之一，其失去的水量可能相当于目前地球海洋水量的 10 倍。
“一旦失去了所有的水，地球就沉没了，”巴恩斯说。他补充道，一颗曾经很有前途的行星“可能会变成金星，而金星并不是一个适合居住的地方”。虽然金星曾经可能有海洋和更温和的气候（SN 在线：8/26/16），如今它拥有强烈的二氧化碳大气层，表面温度超过 460°C——足以熔化铅。
紫外线辐射不仅会带走宜居 M 型矮行星上的水蒸气，还会氧气和氮气美国马里兰州格林贝尔特美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家 Vladimir Airapetian 及其同事在 2 月 10 日的论文中提出，在短短几千万年内天体物理学杂志快报。 和Proxima b可能已经失去了大量的水在其形成时期，巴塞罗那空间科学研究所的天文学家 Ignasi Ribas 和同事于 2016 年报告称天文学与天体物理学。
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Proxima 预报
Proxima b 是一颗围绕距离地球最近的暗红色恒星运行的小行星，其表面温度取决于行星的自转和大气的构成。在众多可能情景中的六种（如下图所示）中，实线标记了液态水可能全年存在的区域。橙色圆点标记了具有季节性水潜力的区域。
但乐观的余地仍然存在。Ribas 和同事们提出了同样可能的情景，即 Proxima b 损失的水量少于地球海洋的体积。法国萨克雷核研究中心的天体物理学家 Emeline Bolmont 和同事对 TRAPPIST-1 最内侧的三颗行星进行了类似的观察（在其他四颗行星被发现之前）。虽然两颗最近的行星可能已经损失了地球海洋总水量的 15 倍，但第三颗行星——仍然比宜居带更靠近恒星——可能损失的海洋还不到一片他们在一月份的报告中称皇家天文学会月刊。
或许还有办法封存和保护行星上的部分水——可能是通过冰冻小行星带来的（SN：5/16/15，第 18 页）？在最初的十亿年里。要证明一颗行星能够承受打击并保住水，地球就是一个例证。
梅多斯说：“我们经历了一次形成月球的撞击，几乎摧毁了一切，但我们仍然保留了水和大气层。”虽然研究人员对月球的起源存在争议，但主流的说法是地球与一颗火星大小的原行星发生了碰撞（SN：4/15/17，第 18 页），这可能吹走了地球的大部分大气层。困在行星地幔深处的水和其他气体可能已经滴落并形成了第二层大气层。只要地幔没有干涸，行星的整个生命周期中都有可能排出水和二氧化碳，梅多斯说。“我们称它们为僵尸行星。”
从一个类似于微型海王星的世界开始——一个质量是地球的 1 到 10 倍、大气层厚达 50% 的氢和氦的世界——可能是另一种制造宜居 M 型矮行星的方法，Luger 及其同事在 2015 年提出天体生物学来自恒星的紫外线辐射，加上该行星向其太阳的运动，可能会蒸发掉大部分原始大气层，留下一个多岩石、可能富含水的世界。
被锁在太空
如果一颗行星在最初的十亿年中仍保留着一些水，那么它就会面临另一个潜在问题：重力。宜居的 M 型矮行星与恒星的距离比我们太阳系中的任何行星都近得多。水星每 88 天绕太阳公转一次；TRAPPIST-1 上所有可能宜居的行星都大约需要 6 到 12 天才能绕恒星公转一圈。
在如此近的距离下，恒星的引力会迫使行星的一侧始终面对恒星，而另一侧则永远处于黑暗之中。这样的星球上的气候与地球截然不同。我们的星球相对快速的自转有助于大气循环并散发来自太阳的热量。然而，靠近 M 型矮星的行星的日面可能会变得非常热，以至于水会逃逸到太空中；在寒冷的夜面，大气可能会冻结到表面。
但锁定旋转并不像人们曾经认为的那样是致命的。西雅图蓝色大理石空间科学研究所的天文学家雅各布·哈克-米斯拉说：“有很多方法可以解决这个问题。”一点点 CO2例如，大气中的二氧化碳可以帮助储存热量，并将其分散到地球周围。
北京大学天体物理学家杨俊及其同事于 2014 年报告称，在面向恒星的一侧也可能形成一层厚厚的永久云层天体物理学杂志快报。上升的热空气团可能会引发云层的形成，从而反射大量阳光，防止白天变得太热。研究人员还发现这可能会扩大宜居带围绕恒星运行。有了保护性的云盾，行星就可以更靠近恒星，并保持温度。
最近的模拟表明，只要被锁定的行星保留着相对少量的水（在某些情况下仅为地球海洋中水量的 0.001%），液态水仍然有机会在行星表面的某个地方存在。巴黎动力气象实验室的研究生马丁·图尔贝特和同事们研究了Proxima b 可能出现的气候。他们去年报告称天文学与天体物理学在一系列条件下——不同的自转速度、大气气体丰度和初始水量——这颗行星可以保留一些地表水，足以维持至少几个可居住的生态位。
“由于它的构造与地球的构造截然不同，因此仍有许多气候科学有待探索，”哈克-米斯拉说。将 M 型矮行星排除为完全不适合居住还为时过早。“有很多方法可以让液态水留在表面。”
仰望天空
不过，还有其他潜在的隐患。一些 M 型矮星以强烈的太阳耀斑而闻名，这种耀斑可能会撕毁行星大气层。而且，计算机模拟对于 M 型矮星周围的岩石行星从何处获得水存在分歧。
为了验证这些想法，天文学家需要数据。目前最好的数据来源是定期从恒星前方经过或凌日的行星（SN：4/30/16，第 32 页）。在凌日期间，部分星光会穿过行星大气层，而大气中的分子会吸收特定频率的光。仔细分析吸收了哪些频率以及吸收了多少，可以直接揭示水蒸气和其他化合物的存在，并可以揭示温度和压力等气候参数，这些参数决定了液态水是否可持续存在。
巴恩斯说，关于宜居的 M 型矮行星，“我们还没有数据”。 “每个数据点都将是巨大的，并为这些世界打开一扇新的窗口。” 最近的一项发现很有启发：一颗围绕一颗大约 50 亿年前的 M 型矮星运行的行星，名为 Gliese 1132，似乎有一个可能含有水蒸气或甲烷的大气英国基尔大学天体物理学家 John Southworth 及其同事在 4 月份的报告中指出天文期刊这颗行星的质量约为地球的 1.6 倍，距离恒星太近，因此不适合居住。但它表明，在形成 50 亿年后，一颗依偎在 M 型矮星周围的行星可以保留大气层。
据报道，只有另外三颗小行星存在大气层：一颗围绕 M 型矮星，一颗围绕 K 型矮星，还有一颗围绕类似太阳的恒星运行。前两颗行星的直径约为地球的 2.5 倍，几乎没有关于其大气层的线索。只有围绕类似太阳的恒星运行的行星在其大气层中发现了甲烷的迹象。
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这些测量对于现有的天文台来说极其困难。但 NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划于 2018 年 10 月发射，它将对数百颗凌日系外行星进行研究，其中许多行星围绕着 M 型矮星运行。TRAPPIST-1 系统已跃居榜首。它有三颗行星处于宜居带，三颗行星离 M 型矮星太近，一颗行星离 M 型矮星太远（见第 16 页）。Meadows 说，它们都是凌日系外行星，这使得 TRAPPIST-1 成为测试各种有关 M 型矮星及其气候如何演变的想法的理想选择。
随着围绕 M 型矮星运行的行星迅速成为寻找太阳系外生命的宠儿，新一代天文台准备在这些恒星周围发现数百个世界。气候模拟暗示外星环境可能恶劣，但也可能适宜居住。“我只是觉得，我们终于能够看到其中一些行星，这真的很令人兴奋，”卡斯廷说。“系外行星研究已经出现了很多惊喜，所以我准备再次接受惊喜。”
本文刊登于 2017 年 6 月 24 日的《科学新闻标题为“机遇区：在M型矮星周围狭窄带中发现的系外行星可能孕育出极为不同类型的生命。”
