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天文学家根据行星或卫星与恒星的距离 ， 推算表面可能存在液态水的天体的轨道范围 。 距离恒星太近或太远 ， 会导致天体表面温度太高或太低 ， 难以维持表面液态水的稳定状态 。
什么是宜居带？
要解答这一问题 ， 首先必须说明什么是宜居带 。 行星上存在生命应具备几个必要条件：有液态水、生命新陈代谢或复制所需的化学元素、可用的能源和生物体延续生存足够稳定的环境 。 其中 ， 由于液态水是生命活动不可或缺的物质 ， 液态水的存在也意味着有相当温和的气候环境 ， 所以液态水是生命存在的一个最关键的必要条件 。 尽管地外生命可能与地球上的生命形式很不一样 ， 但是 ， 许多科学家仍然相信 ， 液态水是整个宇宙中生命的基本成分 。 这是因为水是宇宙中最常见的分子之一它处在液态的温度范围很宽 。 由于氧是宇宙中最常见的原子之一 ， 化学性质活泼 ， 极易与其他物质发生化学反应 ， 而水与氧元素共存时化学性质稳定 。 此外 ， 水是良好的溶剂 ， 还具有很多优良的化学性质 。 尤其是 ， 我们这里是从地球上生命存在的环境条件为立足点 ， 来考虑太阳周围满足这些必须条件的宜居带 ， 或者说是太阳系的宜居带 ， 那么这就是指在太阳系中 ， 温度允许液态水在天体表面存在的区域范围 。
天文学家根据宜居带的定义来计算其内外边界的位置 。 设定宜居带内边缘的依据是 ， 在这一点上 ， 由于接近恒星温度过高 ， 行星失去水分；设定外边缘 ， 在这一点上水会冻结 。 这个关于宜居带的定义排除了传统天体生物学意义上的一些天体 ， 例如木卫二 ， 据太阳系空间探测发现 ， 巨行星木星的潮汐加热使得这个卫星上存在液态海洋 ， 但是 ， 很显然木星连同它的卫星都不在太阳系的宜居带里 。 因为 ， 正如我们在2020年第8期答疑解惑栏目中曾经提到的 ， 木星所处的位置在太阳系形成过程中的雪线以外 。
【地球|地球会永远处于宜居带内吗？】大气对宜居带位置的影响
想要精确计算宜居带边界的位置远非能一蹴而就：内边界依赖于失控的温室效应 。 而外边界则取决于二氧化碳云的形成 ， 因为二氧化碳起了阻挡恒星辐射的某种“毯子”的作用 。 这样 ， 计算宜居带的宽度 ， 尤其是计算外边界的位置 ， 要求应用复杂的气候模型 。 就太阳系的宜居带已经作了各种估计 ， 一项新近的研究给出的范围是内边界0.77——0.87天文单位 ， 外边界1.02——1.18天文单位 。 如果我们采纳这个估计 ， 那么金星与太阳的平均距离是0.723天文单位 ， 稍微偏离了宜居带 ， 火星与太阳的平均距离是1.524天文单位 ， 离宜居带就相当远了 。
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图1金星大气并不适合人类的生存 。
只有地球正好坐落在适宜的位置上 。 但是 ， 不同学者对太阳系宜居带的宽度有不同的估计 ， 这两颗行星或在或不在其内 。 不过 ， 即使一颗行星或卫星位于宜居带的正中间 ， 也不能保证其表面一定就有液态水 ， 月亮是最典型的例子 。 由于它没有大气 ， 也就无法留住表面的液态水 。 即使以金星和火星来说 ， 若认为它们在太阳系的宜居带里 ， 但它们的表面环境最多只能适合于存在极低等的生命形态 。
不久前 ， 有天文学家宣称 ， 发现了绝大多数系外行星大气中不断增加着有毒气体 ， 不适合目前我们所了解的高等生命生存 。 因此 ， 通常认为的宜居带只是保证低等的单细胞生物生存的条件 。 对于高等生命 ， 在宜居带的基础上提出了“安全带”的概念 。 安全带只占原来宜居带的1/3 。 还有人提出了“持久宜居带”的概念 。 一个典型的持久宜居带定义为在其中类地行星能够维持液态水达10亿年的区域 ， 10亿年是通过进化发展出复杂生命形态假定需要的时间尺度 。
在太阳系的情况下 ， 持久宜居带已经存在了45亿年 ， 而地球则相当幸运地坐落在这个带里边 。 不过 ， 持久宜居带显然一定比宜居带更窄 。 通过建模计算发现 ， 持久宜居带极其狭窄 。 在 G0型主序星（太阳是一颗G2型恒星）周围持久宜居带最宽 ， 而在K1型恒星处（这里比太阳冷）和F7型恒星处（这里比太阳热）缩小为0 。 一颗典型的K1型恒星的质量是太阳的0.8倍 ， 而一颗典型的F7型恒星的质量是太阳的1.2倍 ， 所以 ， 能够拥有持久宜居带的恒星的范围非常有限 。 此外 ， 即使有持久宜居带存在 ， 也总是窄于0.1天文单位 。 例如 ， 以太阳系来说 ， 算得持久宜居带的内边缘是0.95天文单位 ， 而外边缘为1.01天文单位 。 太阳系的持久宜居带竟然如此狭窄！
星系宜居带
现在公认银河系的中心有一个超大质量黑洞 。 这个黑洞具有极其强大的引力 ， 其周围的物质在黑洞的吸引下以疯狂的速度向黑洞掉落 ， 彼此剧烈碰撞和摩擦产生高温 ， 物质不能直接掉进黑洞而是形成一个环绕黑洞高速旋转的物质盘（称为“吸积盘"） 。 这个盘因温度极高而产生猛烈的辐射 。 这些辐射足以杀火在中心附近区域内的生物 。 这是一个环形区域 ， 估计约有银河系20％的恒星位于这个区域之内 ， 自然不能在这些恒星周围的行星上发现任何生命的迹象 。 在这个区域之外定义为“星系宜居带"我们的太阳离开银河系中心的黑洞约2.8万光年 ， 幸而是在星系宜居带内 。
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图2这是一张由钱德拉X射线天文台和哈勃望远镜共同得到的图片 ， 银河系中心超大质量黑洞位于图片中央 ， 细节图展示了X射线波段下的银河系中心超大质量黑洞 。
由此可见 ， 一颗恒星首先必须是在银河系的星系宜居带里 ， 然后行星在这颗恒星的宜居带里 ， 才有可能产生生命 。
地球可能脱离宜居带？
既然宜居带在行星系统里的位置和宽度取决于主恒星的辐射强度和离开它的距离 ， 因此如果太阳的辐射强度改变 ， 或者地球与太阳距离改变都可能让地球离开宜居带 。 实际上 ， 恒星周围的宜居带随时间改变 。 主序星随着其老化变得越来越亮和越来越热 ， 就是说 ， 其辐射强度在逐渐增强 ， 所以宜居带随恒星年龄增长而外移 。
在以后的几十亿年里 ， 地球将至少有三次可能的机会脱离宜居带 。
第一次将发生在10亿年以后 。
太阳核心（约占其体积的1/64）由于在进行持续的氢核聚变反应 ， 由4个氢原子核聚变成为1个氦原子核 ， 氦在不断积累 。 但是氦原子核不发生核反应 ， 太阳核心在重力的作用下收缩 ， 导致其温度有稍许升高 ， 而氢的聚变反应速度强烈依赖于温度 ， 核心的温度上升导致聚变反应加快 ， 10亿年以后 ， 太阳的光度增加约10% 。 于是地球上的温度提高 ， 大气扩散 ， 水分蒸发 ， 海洋干涸 ， 届时地球上只有南极洲还有残留的水冰 。 这种情况下太阳系的宜居带就会向外移动 。
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图3 火星北极区域的冰冠 。
本世纪初以来 ， 美国发射的奥德赛火星探测器、勇气号和机遇号火星探测车以及凤凰号火星着陆探测器等从对火星的空间探测发现 ， 火星表面的含水区域占据了从火星寒冷的南、北极冠到大约南、北纬60度的广大区域 ， 水分以冰的形式与尘埃、砾石等混合在一起 。 当太阳的表面温度升高后 ， 极可能火星的水将融化成为液态水 ， 那么火星就将完全进入宜居带了 。
第二次将发生在40亿年以后 。
银河系与仙女星系正在以4.8×105千米/小时的速度相互接近（以后还会加速） 。 约40亿年后 ， 银河系与仙女星系将发生碰撞 ， 并最终并合 。 在此之前两星系交会的时期里 ， 大团尺度达几百光年的冷分子气体 ， 将受到压缩并爆发新的光芒 。 两个星系美丽的旋涡图案 ， 在它们相互的引力影响下解体 ， 把恒星和气体抛入星系际介质之中 ， 以后将形成延展深广的新旋臂 。
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图4 这张图描绘出我们所在的银河系和仙女星系可能的碰撞路径：银河系和仙女星系在它们之间不可阻挡的引力的作用下互相靠近 ， 另外还有一个较小的星系三角星系 ， 也会卷入这场星系碰撞之中 。
就我们的太阳系而言 ， 有两种可能的命运 ， 取决于在碰撞发生之际 ， 它在环绕银河系旋转轨道上的何处位置 。 第一种情况 ， 太阳可能陷入潮汐尾巴 ， 与其他无数颗恒星一起 ， 沉沦进星系际空间的无边黑暗中去 ， 在这种情况下 ， 地球是否还能继续留在太阳系的宜居带甚至安全带或持久宜居带呢？也许有这种可能 ， 即太阳系整个完整地被甩了出来 ， 但这种可能性极小 。 更可能的是太阳系行星的轨道受仙女星系的潮汐力影响而严重改变 ， 从而导致地球脱离宜居带 ， 更遑论还能留在安全带或持久宜居带里了 。
第二种情况是 ， 太阳受并合引起的流动裹挟而进入内部 ， 从而离开了银河系的星系宜居带 。 何况 ， 银河系早期也曾经是一个类星体 ， 那时其核心是一个活动星系核 ， 其活动源自中心的超大质量黑洞 。 银河系中心的活动大约在40亿年前平静下来 ， 这个超大质量黑洞处于休眠状态 。 恰恰又过了40亿年 ， 这个巨兽又因与仙女星系的交会而苏醒 ， 再次活跃起来 。 太阳系那时如果进入银河系的内部 ， 将遭受严重的高能辐射和粒子轰击 ， 因而太阳系内将没有一个角落是宜居的 。
第三次将发生在50亿年以后 。
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图5 当太阳演化到晚期红巨星阶段时 ， 它将会膨胀吞没水星、金星和地球 。
我们曾经在2020年12期答疑解惑栏目中谈到过 ， 太阳演化到晚期将由于核心氢燃料耗尽而演化成一颗红巨星 。 外层开始膨胀 ， 在几十万年的时间里 ， 太阳半径将增长到逼近火星轨道 ， 把地球吞进肚子里 。 自然 ， 远在地球遭此厄运之前 ， 随着太阳的膨胀 ， 其光度也逐渐增强 ， 宜居带外移 ， 早已把地球逐出了宜居带 。
恒星活动与行星演化和宜居性之间的关系错综复杂 ， 天文学家正在深入研究 。 欧洲空间局的太阳轨道器和美国宇航局的帕克太阳探测器也将服务于这一目标 。 无论如何 ， 地球不会永远处于宜居带内 ， 这是确凿无疑的结论 。
责任编辑李时雨
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