逃离地球？去比邻星b炒房之前，你先搞清这些事再说

作者：Sean Raymond  Elizabeth Tasker

翻译：水白羊，Ent

编辑：Ent

两年前，我们发现了第一个地球大小的行星——开普勒186f。它舒适地公转在恒星的“宜居带”里。它的太阳是开普勒186，昏暗而遥远，比我们所希望的冷了一些，不过还是有生命的潜力。但不管怎样，开普勒186f已不再是“最佳宜居候选世界”中的一员了。

比邻星的周围有一颗可能适合居住的行星。

图片来源：Hubble ESA/Flickr

还有你们：开普勒-62f，格利泽- 667c，开普勒-452b。是，每一个都那么迷人，但是每一个又总有那么些不尽人意的地方：要么你们的太阳太昏暗，再过几十年也看不清楚；要么和地球比你们的个头实在太大，我们都不确定你们是不是真的是岩质行星。所以，都给我靠边站！新选手已经上场了，它叫比邻星b（Proxima b）。它的质量下限只比地球高30%，很可能是个真正的岩质行星；它的轨道就在恒星的宜居带里。

正在建设的欧洲极大望远镜（E-ELT）

图片来源：www.eelt.org.uk

更棒的是它的太阳——比邻星（Proxima），离我们最近的恒星，没有之一。4.3光年的距离是开普勒 186f的1/130，全世界的天文学家都对比邻星b垂涎三尺。用不了十年我们就能给它拍照，搜索生命的迹象。欧洲极大望远镜（E-ELT），这头正在建设的39米大的巨兽，到2024年就能从智利仰望星空了。这架望远镜将能直接看到比邻星b的真容，不用再像别的行星那样靠间接方式去推断它的存在。这就给了天文学家们诱人的机会去探查比邻星b的大气层和地表。我们可以直接搜寻水甚至地表生命的迹象了。

但是——总得有一个但是——它不是你所想象的那种“宜居”行星。现在还不是。

此次探测到它的方法，叫做“径向速度”法：我们看不到行星本身，但是行星的引力会对它的恒星有微弱的影响，从而改变太阳的运动。然而，我们只能看到恒星一个方向上的运动，看不到另一个。

这就像是我们想看热气球影子的位置来判断它的运动。我们很有可能低估了气球移动的距离，因为它上下移动不会改变影子位置。我们可能觉得气球水平移动了这么一点路程不费什么力，但其实它费了很多力去爬升了很大距离。比邻星b，或者任何依靠径向速度法找到的行星，都有这个问题：它很可能其实很重，但大部分引力是在把恒星往“上”拉，而没被我们发现。

图片来源：creativefan.com

现在我们还不知道比邻星b的轨道是什么样的。如果它的位置正好对上了，那么它的重量确实就是1.3个地球。如果它的位置不对，那么完全有可能超过地球的70倍，变成木星那样的气态巨行星。假如轨道是纯随机的，那么“中间”的可能性大约是2.6个地球。

不过，纯猜的话，它是岩质行星的概率确实比较大。有一个经验规则是，直径不超过1.5倍地球的行星通常是岩石而不是气体。如果岩石成分和地球差不多，那么这个规则对应的质量就是4.5个地球，比2.6大。但是这依然还是猜测，只是给了一个乐观的理由而不是真正的依据。

比邻星b位于“宜居带”里，这意味着它接受的光和热，与地球相差不太多。它距离比邻星很近，但比邻星本身又是一颗很弱小的红矮星。综合起来，比邻星b接收到的光和热，是地球的三分之二：一个相当不错的数字。

问题是，决定一颗行星表面温度的，不光有它的位置，还有它的大气组成。而我们对比邻星b的大气层一无所知。

换句话说，“宜居带”是个糟糕的名词，位于这里的行星并不自动变得“宜居”。

行星Gliese-832c 与地球

图片来源：rossharrisonnexus.files.wordpress.com

2014年，人们发现了一颗距离我们仅16光年的行星Gliese-832c （当时也引发了媒体的热炒）。它的位置正好在宜居带的内侧。然而，这颗行星有一个致命的问题：它的质量是地球的5倍。有如此质量，它完全能吸引一个十分稠密的大气层。就算它的大气组成和地球一样，其中的温室气体也足以造成强烈的温室效应，足以让所有的水蒸干，变成类似于金星的面貌（应该没有人会认为金星是宜居的，人类发射到金星大气层里的探测器都没几个活下来）。

记性好的人可能会觉得这一切关于比邻星的新闻似曾相识。你们没错：2012年，在半人马座α星B的周围就曾经“发现”过一个地球大小的行星。（半人马座α是一个三星体系，分别称为A、B、C，而C就是此次的主角比邻星。）然而，后续的数据分析表明这是一个信号假象，因此这一发现被撤回了。

半人马座α星

图片来源：blogs-images.forbes.com

这种乌龙算不上常见，但很正常。毕竟和恒星比起来行星很小，能带来的扰动也很小；而扰动又不止它一种，耀斑黑子等等都能带来。而比邻星是一颗红矮星，红矮星正是以巨大耀斑而出名的——有些超级耀斑爆发甚至能在几分钟内令亮度加倍。（这也让比邻星b遭受了数百倍于地球的X射线轰击，倘若它没有磁场保护，那它的大气就会很快被剥光；但此刻我们暂时不讨论这个问题。）

比邻星b的数据看起来是不错的，有乐观的理由；但是这毕竟是红矮星，还是需要其他的独立观测才能最终把假信号排除。不过等到欧洲极大望远镜建成的时候，我们将能直接看到它，也就能没有丝毫疑义地确定它的存在与否了。

事实上，那时候我们大概就能解决以上全部三个问题，毕竟比邻星离我们太近了，它会是第一个被我们真正理解的地外行星。让我们在此乐观一点，暂时认定这几点都不是问题吧——那么接下来的问题就是，要怎样的它才能真的适合生存。

这是用普通单反相机长时间曝光叠加后得到的一张半人马座星空。左侧的亮星是半人马α的A和B，它们距离很近，形成一个肉眼和小望远镜无法区分的单一亮斑。右侧的亮星则是半人马β。比邻星（也就是半人马αC）虽然因为引力的关系而划入半人马α，但其实和AB有一点距离：图中红圈圈住的位置就是它。Skatebiker/ Wikimedia commons

比邻星b和地球最大的区别就是它们的太阳：它们的过去截然不同，未来也不会一样。我们的太阳是个明亮慵懒的黄色恒星。在未来的大约50亿年中，它会逐渐变成一颗狂暴的红巨星，吞没地球的轨道。比邻星就不一样了，它是一颗焦躁的红矮星，只有太阳1/10的体重，亮度也只是太阳的1/700。它还要和比邻星b再做4万亿年的好伙伴。

尽管比邻星实际上要比太阳小很多，但由于距离很近，在新发现的行星上看来，比邻星的大小是地球上看到太阳大小的3倍。图片来源：ESO/G. Coleman

地球的诞生经历了大约1亿年和无数的碰撞，等到终于成型的时候，太阳已经进入了稳定期，也就是所谓“主序”：由内向外的热压和由外向内的引力达到了平衡。但是，比邻星b的形成很可能就比地球快多了，也许只用了几百万年；相比之下它的太阳却用了几亿年的时间才进入主序。在这几亿年的时间里，比邻星比今天亮很多；随着它逐渐安定下来，它的宜居带也逐渐向内收缩，最终才覆盖了比邻星b的公转轨道。换句话说，比邻星b曾经在非宜居带毫无生机的炽热轨道上度过了大约一两亿年的时光！

把一个岩质行星放在这样的轨道上烘烤，本来能像地球一样孕育生命的星球也可能会变得像金星一样干枯荒凉。比邻星b是不是也经历过这样的遭遇呢？

肖恩·雷蒙德（Sean Raymond）的团队进行的一项研究模拟了这个过程：在进入宜居带之前，比邻星b可能被蒸走了1“地球水”（也就是地球表面所有水的总量）。不过它的地幔里可能也像地球一样还有备用的水源。地球的地表之下就有大约0.3-10个“地球水”的储备。假如我们的整个海洋突然被挪进了太空，从火山中喷发出来的气体还能补回一些失去的水分。

图片翻译自：planetplanet.net

不过我们不知道这个星球上最初有多少水，因为我们不知道整个星系是如何形成的。比邻星在最初的时候可以比地球更干燥，可以比地球更湿润，也可以差不多。它的地表可能最初有两份的水量，最后只剩下一份；也可能最初有100份，最后剩下99份；也可能最初就只有半份，最后一片干涸。我们无从得知。

不过讨论总得继续，假设比邻星b在进入宜居带的时候还有一些水分，也有它的大气层。那这个星球的气候会是什么样的呢？

雷蒙德的团队通过一系列针对比邻星b的3D模拟探索了不同条件下可能出现的情况。结果五花八门，比邻星b上可能出现各种各样的气候，完全取决于至少三个因素：地表的水量，大气中温室气体的含量（我们模拟的时候全部作为二氧化碳处理），以及星球的自转。

地球转得很快，这你大概能注意得到。每绕太阳转一圈，地球会自转365圈。比邻星b可就不一样了。它离它的太阳太近了，潮汐力令比邻星b的自转只有两种可能：要么同步自转，永远只有一面向着它的太阳，像月亮绕地球；要么自转和公转被轨道共振锁定，每公转2周，自转3周，像金星绕太阳。比邻星b的自转肯定是这两种状态当中的一个，只是我们还不知道是哪一个。

如果这颗星球的自转是同步的，那么它的表面就一定有一个热点区域，它的太阳时刻照耀着那里，终日烈日高悬。而另外半球则终日不见阳光。如果这颗行星上只有少量的水——譬如平铺在整个星球上不到10米深——那么寒冷黑暗的那半边就可能存在湖泊，不过“日不落”的这半边就不会有液态水的存在了。它将会是一种“眼球行星”：白天黑夜两个半球泾渭分明。但如果大气层太薄，水就会以冰的形态被封存在寒冷黑暗的那半边星球，这样的“眼球行星”就相对更恶劣一些。如果大气层太厚呢？那所有的水都会蒸成水汽，被困在大气层里。

“冰眼球”版比邻星b。在这个版本里，它拥有全球性的海洋，大气层的组成和厚度都和地球相当。

图像来源：Martin Turbet / LMD

如果同步自转的比邻星b上的水远比10米深来得多，那在“日不落”的半球也同样可能存在湖泊，甚至是覆盖全球的大洋。依大气条件不同，这种情况下也可能出现冰盖，甚至整个星球都可能变成冰封的眼球行星，只有那个最热的热点地区附近会有融化的水面。

如果比邻星b的自转不是同步的，那这个星球上最热的就是赤道区域。这时如果星球上只有少量的水，就会有沿着赤道形成湖泊；如果有大量的水，就会出现覆盖全球的大洋，而赤道附近的水温最高。大气层很薄的时候，两极也会出现冰盖。然而与同步状态不同的是，这时的星球会面临全球封冻的风险（就像进入了永恒的冰河期）。不过这种情况只有当水量充沛，大气层又非常稀薄的时候才会出现。

如果比邻星b的自转不是同步的，那么这颗星球上最热的地方就在赤道带上。

图像来源：Martin Turbet / LMD

自转很重要：比邻星b在不同大气二氧化碳强度条件下可能出现的所有气候情景。

图片翻译自：Martin Turbet / LMD

总而言之：比邻星b在很多的情况下都能拥有地表水。当然，前提条件是它在恒星还处在狂躁的青春期时存了些水下来。还有另外一个可能影响适宜居住的障碍，那就是比邻星b接收到的能量辐射。与地球相比，那里的X射线强度高了250倍，极紫外光强度高了30倍。我们不知道这些辐射会对这个星球的大气层造成什么样的影响，不过，应该不会把生命的存在一票否决。