很少有科学问题比“我们是宇宙中唯一的生命吗？”更具有普遍吸引力。数千年来，寻找外星生命一直吸引着人类的想象力。在首次发现一颗围绕非太阳恒星运行的行星近 25 年后，天文学家比以往任何时候都更接近找到答案。
哈佛大学天文学家戴维·查博诺 (David Charbonneau) 表示：“大多数人，即使不是每个人，在一生中的某个时刻都会想知道其他星球上是否有生命。我们实际上可以回答这个问题……我们知道我们必须建造什么样的望远镜”才能找到答案。
然而，这一努力可能并不那么简单，因为关于如何确定最有可能存在生命的行星的争论已经酝酿多年。这场争论在 9 月 11 日达到高潮，当时天文学家宣布在附近的系外行星 K2 18b（日期：9/11/19）。
这颗行星的吸引力来自于它位于恒星“宜居带”的位置——宜居带通常被定义为温度可能恰好适合液态水存在的区域，而液态水被认为对生命至关重要。天文学家报告称，K2 18b 甚至可能有雨云。
但这并不意味着你应该打起伞就出发。加州理工学院和美国宇航局系外行星科学研究所的天体物理学家杰西·克里斯蒂安森 (Jessie Christiansen) 表示：“一颗行星位于宜居带并不意味着它适合居住。如果你问 100 位天文学家，其中 99 人都会说这颗行星不适合居住。”
事实上，在已知的 192 颗左右的系外行星中，大部分时间都在恒星的宜居带内，除了 24 颗之外，其他行星可能都是像木星一样不适合居住的气态巨行星。即使岩石行星位于宜居带，比如火星，也不能保证那里有生命。科学家认为这颗红色星球有存在生命的可能性尚有争议（日期：1/10/18）。
收益微薄
截至 10 月 1 日，在发现的 4,118 颗系外行星中，只有 24 颗可能满足宜居性标准：它们的质量和半径表明拥有类似地球的岩石表面，并且大多数时间都在距离其恒星较远的轨道上运行，以支持液态水的存在。
已知的系外行星，按潜在宜居性排序
来源：杭州画廊网、SR Kane 和 DM Gelino/太平洋天文学会2012
那么，当你被困在地球上时，如何找到一颗宜居行星呢？首先要重新思考这个术语的定义。一些天文学家认为，“宜居带”这个术语太过笨拙，它包括了没有宜居可能性的行星，而排除了其他可能适宜居住的行星。来自不同学科的科学家正在从矿物物理学、化学和生态学的角度来完善宜居性的概念。
明年，NASA 可能会批准建造用于寻找生命的新太空观测站。也许需要升级的不仅仅是定义宜居性的词语，还有寻找宜居性所用的设备，Charbonneau 说。“我们没有合适的望远镜。”
不只是任何星球
从 20 世纪 50 年代开始，当天文学家谈论寻找其他宜居星球时，他们完全专注于像地球这样的行星。在 1993 年发表的一篇论文中伊卡洛斯，宾夕法尼亚州立大学地球科学家詹姆斯·卡斯汀为当今最流行的“宜居带”定义奠定了基础：宜居带是温度不会太高或太低而不适合液态水生存的“金发姑娘”区域。但这一标准并不适用于宜居带内的所有行星：卡斯汀的模型只适用于拥有类似地球大气层（由二氧化碳、水和氮组成）的岩石行星。
日本宇宙航空研究开发机构的天体物理学家伊丽莎白·塔斯克说：“任何类型的行星都可以在宜居带内运行”，但只有这种类似地球的行星才有可能在其表面存在液态水。“我们都暗中知道这一点，因为月球和火星都在宜居带内运行，但都没有湖畔隐蔽处。”
1993 年，虽然发现了一些围绕普通恒星运行的系外行星，但当时还没有发现绕脉冲星运行，一具快速旋转的恒星尸体（日期: 9/3/15）“我以为这完全只是理论上的，”卡斯汀说。
然而，两年后，研究人员首次发现了一颗围绕类太阳恒星运行的行星。这颗行星名为 51 Pegasi b，是一颗热木星，距离恒星太近，无法进入宜居带。但它标志着系外行星天文学的正式诞生。自那时以来，人们发现了 4,000 多颗系外行星，还有数千颗候选行星等待确认。
“从那时起，事情就开始有了进展，”卡斯廷斯说。“现在这是一个观察领域，而不是理论领域。”
尺寸和表面
人们在恒星宜居带发现新世界时常常会兴奋不已，但人们往往会忘记这两个关键特征——岩石表面和合适的大气成分。但有理由认为，它们对于行星的实际宜居性至关重要。
马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心的天文学家劳拉·克里德伯格说，如果一颗行星的气态成分过多，大气压力和温度就会过高，以至于 DNA 等复杂分子无法稳定存在。例如，在厚而富含氢的大气层和岩石核心的交界处，温度可以达到 2500° 以上。
复杂的化学反应可能会因为一种叫做“算术恶魔”的现象而受阻。在弥散且充满气体的大气中，原子可能需要很长时间才能相遇、发生反应并形成新的分子。
克里德伯格说：“这两者——算术恶魔和表面的缺失——对于形成行星上生命的组成部分来说都是非常坏的消息。”
这是 K2 18b 问题的一部分：尚不清楚它是否具有岩石表面。判断系外行星由什么构成的唯一方法是测量其半径（通过它穿过恒星前方时阻挡的星光量）和质量（通过它对恒星的引力牵引）。质量和半径一起告诉科学家行星的密度，这是构成成分的线索。但天文学家并不总是能同时测量两者。
天文学家在 K2 18b 上很幸运，测量出它的质量约为地球的八倍，半径是地球的两倍多。这意味着它的密度与火星相似。虽然在 K2 18b 大气层中发现水的团队认为这颗行星可能是陆地和岩石行星，但其他研究人员并不那么确定。
小行星往往分为两类：岩石超级地球和气态迷你海王星（日期: 6/19/17）。半径小于地球 1.5 倍的行星似乎由岩石组成，而半径约为地球 1.5 倍或更大的行星似乎大多是微型海王星。K2 18b 比这大得多。
“它肯定是蓬松的，”俄亥俄州立大学哥伦布分校的矿物物理学家温迪·帕内罗说。科学家们对行星核心的岩石在气态行星大气层深处的高温和高压下会如何表现知之甚少。它可能是熔岩，也可能是弥散的边界，大气层的尽头和岩石的起点并不清楚。“我们对该界面的材料特性了解不够，”她说。
了解行星的密度还不足以判断它是否具有类似地球的表面。毕竟，金星的大小和质量与地球几乎相同，而且距离太阳仅比宜居带近一点。但是金星大气化学使其表面发出嘶嘶声在铅熔化温度下（日期：2/13/18）。
加州大学河滨分校的行星天体物理学家斯蒂芬·凯恩说：“金星向我们发出警告，尺寸并不是一切。这颗行星正在向我们发出警告，行星的宜居性很复杂。”
向区域外看
实验地球物理实验室测试不同矿物在高压和高温下的表现可能有助于确定哪些星球适合居住（日期：5/11/18）。
凭借矿物物理学研究以及关于不同类型行星形成机制的理论，“我们或许能够说，这颗行星更有可能是金星，而不是地球”，坦佩亚利桑那州立大学的系外行星地质学家 Cayman Unterborn 说道。
有些宜居星球甚至可能位于宜居带之外。土星的卫星土卫六拥有乙烷和甲烷湖泊和河流，是太阳系最宜居的星球之一对天体生物学有吸引力的目的地（日期: 6/27/19）。 其他土星和木星的冰卫星可能在它们的冰冻外壳下面存在生物圈，那里的条件有时允许液态水存在（日期: 5/2/14）它们都不位于太阳的宜居带内。
“宜居带并不是生命可能存在的唯一地方，”北卡罗来纳州立大学罗利分校的行星地质学家保罗·伯恩说。“当宜居带被用作寻找生命的地方时，这些细微差别几乎从未被传达出来。”
正好
宜居带（在红矮星 K2 18 行星系统的图表中以绿色显示）是指恒星周围的区域，人们认为该区域的温度适合液态水，因此也适合生命存在。但位于宜居带内并不意味着行星适合生命存在，而位于宜居带外也并不排除生命可能存在。
绘制恒星的宜居带
任何其他名称的区域
天文学家对宜居带的缺陷感到沮丧，他们提出了其他名称：温带、液态水带、狩猎区（因为天文学家在那里寻找生命迹象）和生态圈，仅举几例。克雷德伯格建议恢复“金发姑娘区”，这个最近已经过时了，作为一个不那么模棱两可的选择。克里斯蒂安森开玩笑地建议ECHaLWOTS 区域，意思是“地球表面可能存在液态水”（发音为 ekkulwots）。
塔斯克说：“你马上就能明白我们为何要费力寻找一种可能流行的替代术语。”这些术语与原术语存在一些相同的问题：无论如何指定，并非区域内的每一颗行星都是温带或湿润的，而其他候选行星可能会因不符合新定义而被排除在外。
因此，一些天体生物学家正尝试设计类似宜居性指数的东西，以便考虑更多数据和特征。最近的一个例子是，波多黎各大学阿雷西博分校的天体生物学家阿贝尔·门德斯从生态学中汲取灵感。
“天体生物学家认为测量宜居性非常困难，”门德斯说。“但生态学家在 70 年代也遇到过同样的问题，”当时美国鱼类和野生动物管理局想出了一种衡量土地和水资源开发对附近动植物影响的方法。该机构的栖息地适宜性指数提供了一种衡量标准，即在考虑可用能源的情况下，给定环境可以维持多少生物量。
门德斯及其同事修改了该指数，并于 2018 年在德克萨斯州伍德兰兹举行的月球和行星科学会议上进行了展示。研究人员的方程式包括判断行星宜居性的五个变量：行星接收的星光量、行星半径、反射率、海洋覆盖表面的比例以及大气密度。
确定最后三个变量超出了现有望远镜的能力范围。“这个框架会告诉你需要测量的确切内容，”门德斯谈到他团队的宜居指数时说道。他认为所需的技术可能还需要 10 到 20 年的时间。
其他天文学家则质疑这一指数的实用性，因为其他因素也可能影响宜居性，包括活跃的地质周期、熔融的核心、板块构造、火山向大气中排放气体以及磁场保护它免受恒星耀斑的影响（日期：3/5/18）。
这些因素在地球上也是无法探测到的，有些甚至可能永远都无法探测到。
“你可以列出一个很长的清单，”哈佛天文学家查博诺说。“如果我无法用望远镜探测到微生物，那么在潮汐加热的月球上是否存在微生物也没关系。”
忘记宜居性，只寻找生命
一对拟建的望远镜可能很快就能提供直接搜寻生命迹象的能力。
“如果你想确定自己可以收拾行李去那里，你需要一个生物特征”——这表明生命改变了地球大气的化学性质凯恩说（日期: 4/19/16）“如果我们检测到明确的生物特征，那就意味着这个星球是适宜居住的，因为那里有某种生物生存。”
美国宇航局目前正在评估两架望远镜的计划，它们将能够扫描类地系外行星的天空。宜居系外行星天文台，或哈布埃克斯，将拍摄十几颗围绕类日恒星运行的类地系外行星的照片。大型紫外/光学/红外探测器，绰号卢沃，将进行同样的观测，但观测对象多达 100 颗行星。两台望远镜都将在行星大气中寻找生命的化学痕迹。
克里斯蒂安森说：“下一组仪器的设计目的是揭示这些真正类似地球的行星的大气层是什么样的。”
不过，卡斯廷说，宜居带的概念对于设计 HabEx 和 LUVOIR 等项目很有用。专注于与恒星的特定距离可以告诉工程师望远镜的尺寸。这两台望远镜的设计都采用了2013 年更新了 Kasting 的早期定义这项研究由马里兰州格林贝尔特市美国宇航局戈达德太空飞行中心的天文学家拉维·科帕拉普 (Ravi Kopparapu) 领导。
“我们比较保守，试图设计望远镜来观察我们可能识别的事物，”卡斯廷说。“如果生命与我们不太相似，那么识别生命就相当困难。”
如果最终发现生命迹象，那么关于“宜居带”一词的争论可能就会逐渐消失。研究真正的外星人将为科学家们提供更重要的讨论内容。
