宜居帶

“宜居帶”也叫“適合居住帶”。分多種生命對象討論，一般研究的是“動物的宜居帶”。對於任何動物、植物、以至於微生物來説，都會有一個最合適其生存的地帶。如果把地球上所有生物以及它們在不同演化階段所需要的不同條件加以總結，將這些條件擴展到所需行星的條件、太陽的條件甚至是恆星系的條件等，就有了“宇宙宜居帶”的概念。

宇宙的大部分空間對於生命來説是險惡之地，只有很少的地方能成為生命的綠洲，併為生命的出現與發展提供合適的大氣、適宜的温度、液態水。虛無的空間、炙熱的恆星、氣態的行星表面都難以駐留生命。似乎很難明確的給出生命所需要的環境條件。地球為生命提供了最基本的環境之後，無論在哪個方面都為生命提供了一個完美的棲息場所，而地球又是迄今為止發現的唯一一顆有生命駐留的星球。 對“宇宙宜居帶”的討論，需要從空間、時間、生物多樣性等幾方面進行。

對於天文學家來説，“潛在宜居”行星是那種可以維持生命存在，但不一定能讓人類生存的星球。宜居性取決於許多因素，但液態水和大氣是兩個最為重要的因素。一顆行星的引力會造成其主恆星的徑向速度定期出現變化，而多顆行星會使得其主恆星運動出現複雜的搖擺活動。 ^[1] 

宜居帶（Habitable Zone，HZ） (4張)

作為駐有各種生命的理想場所，地球一個最重要的特點就是其所處的位置，即與太陽的距離。與太陽最合適的距離是定義“宜居帶”的基礎，在該地帶可能會有與地球相似的行星存在。宜居帶中的行星接受恆星所輻射的熱量即不會少得使水結冰，也不會多得使水沸騰，剛好維持一個液態的海洋。

宜居帶的範圍應該由外部邊緣的低温和內部邊緣的高温限定。太陽系的兩個鄰居——金星和火星給出了宜居帶外部邊界的例子。如果與太陽的距離近，行星表面就不會存在液態海洋，像金星；太遠，又會被凍結。 如果將地球向外移動一些距離，或者減弱太陽輻射，就會使地球的表面温度降低直至冰雪覆蓋。漸漸的二氧化碳也被凍結，形成乾冰顆粒組成的雲層，最終它們被凍結在兩極形成冰蓋。宜居帶的寬度取決於該行星與地球的異同，以及恆星的大小、年齡等。

在一個有一定碳含量的岩石行星表面，如果有一個穩定的液態海洋，它就具備了產生和駐留生命的條件。相對於地球的軌道而言，金星與太陽的距離近了30%，而火星遠了50%，如果從接受陽光的角度來説，金星需要減少一半，而火星則需要增加一倍才可以。

對於類地行星來説，動物的宜居帶是這樣一個範圍：該行星可以在表面維持一個液態的海洋並且能夠保持全球平均温度低於50℃。這個温度基本是動物生命生存條件的上限。

如果考慮現代人類（智慧生命）的居住環境，就會得到一個更窄的“宜居帶”：即一個可以生長足夠莊稼供人食用的行星。相反，一個更寬更容易定義的宜居帶是微生物生存的“宜居帶”：它幾乎包括了整個太陽系，並在太陽系形成不久一直到現在的範圍。對於其它種類的“宜居帶”，則要寬於高等生物但窄於微生物。

以太陽系為例，因為太陽在變亮，太陽系的宜居帶也正在向外移動，由於温度增加，地球就會逐漸變為金星，不過此情形會發生在20—30億年以後，地球處於宜居帶的時間還有60—80億年。當然，太陽的亮度不斷增加，一個處於凍結的星球可能會變得適合生命產生和繁衍。

1978年，天體物理學家邁克爾·哈特做了一個模擬計算，結果令人驚訝。他在計算中考慮了太陽光度隨時間的變化。40億年前，太陽的光度只有現在的70%。隨着太陽光度的增加，宜居帶向外推移。哈特將地球所處的狹窄條帶隨整個太陽系演變而向外推移的範圍稱為“持續宜居帶”。

他的計算表明，如果地球與太陽的距離再遠1%，在地球演化史上將會出現一個不可逆轉的冰期，而如果距離再近5%，它也可能出於一個不可逆轉的温室狀態。假若地球的軌道更扁一些，上述的距離限制會更加嚴格。

現在，有人認為哈特計算的宜居帶過於狹窄，因為有幾個效應他沒有考慮到，其中很重要的就是“二氧化碳—硅酸鹽循環”其作用就像空調一樣將地球的温度調節在一個合適的範圍。二氧化碳含量現在只佔地球大氣的0.03%，但它是一種温室氣體：它的紅外線吸收性質可以阻止輻射到地球表面的熱量重新發散到太空中。

二氧化碳—硅酸鹽循環的調節開始於地表風化作用，當行星比較温暖時，充分的光照和降水沖刷作用會使得風化速度加快，此時，從硅酸鹽中釋放的金屬離子將大氣中的二氧化碳沉澱成碳酸鹽，從而使大氣温度下降；當地表太冷的時，風化作用和二氧化碳的沉澱速率會下降，而火山釋放的二氧化碳使温室效應增強，進而使大氣温度重新升高。

這種負反饋效應使“持續宜居帶”加寬，也讓確定宜居帶的條件變的更加複雜。

據此，美國濱州州立大學的天體生物學家詹姆士·卡斯廷和他的同事將“持續宜居帶”定義為：在恆星周圍的一個類地行星，擁有一個含有氮氣、水和二氧化碳的大氣，並且形成的氣候可以維持以水為基礎的生命。他們在1993年時估計，太陽系持續宜居帶的寬度在0.95到1.15個天文單位。這個寬度比哈特計算的結果寬的多，但實際上卻仍然很窄。

天文學家把恆星根據顏色分成O、B、A、F、G、K、M幾類。它們的顏色由藍到紅，温度由高到低，質量由大到小。我們的太陽屬於G型恆星。

恆星質量越大，燃燒就越快，壽命就越短。太陽的年齡為50億年，地球的年齡也為46億年，而自地球誕生大約12億年才出現簡單生命，經過30億年才出現複雜生命，所以要想孕育出生命，恆星的壽命必須足夠長。此外恆星的温度也不能太高，否則紫外線可以直接進入深水處，那是不可能進化出生命的。O、B、A這三類恆星壽命短且紫外線強，不滿足這個條件，滿足條件的只有F、G、K、M四類恆星。

M恆星：深海生命（非常靠近恆星）

K恆星：海洋生命和極地生命（靠近恆星）

G恆星：所有生命（像地球這樣宜居帶）

F恆星：所有生命（比地球的宜居帶要遠）

恆星的光度決定了它的宜居帶的位置，而發光度又由恆星的大小、類型和年齡決定。對於那些比太陽更大的恆星來説，其宜居帶向外移動得更快，持續時間也更短。

太陽在誕生後的100億年內會相當穩定，但是一顆質量為1.5倍太陽質量的恆星在誕生20億年後就會進入紅巨星階段。當一顆恆星變為紅巨星時，它的光度會增加數千倍，宜居帶會遠遠的向外退去。質量為1.5倍太陽質量以上的恆星，其宜居帶的時間存在時間將短得不足以演化出高級生命。由於紫外輻射的增加，更大的恆星宜居帶會更遠甚至沒有宜居帶。

人們常説太陽是一顆很典型的恆星，但事實並非如此，因為95%的恆星比太陽小。對於這些比太陽小的恆星來説，其宜居帶更靠近恆星。但距離很近就會有更大的危險：當行星距離太陽很近的時候，恆星的引潮效應就很容易將行星潮汐鎖定，導致行星只有一面朝向太陽。這種同步旋轉會導致行星的黑暗面温度極端低下，白天温度又極高的現象。

雙星系統 和 聚星系統 的宜居帶

在太陽系周圍類似的恆星中有2/3是雙星系統或是聚星系統。可以考慮兩種情況：一種是一個或多個伴星之間距離太近，行星圍繞所有的恆星轉；一種是伴星之間距離遙遠，行星只圍繞其中一個公轉。

最近一些研究表明，兩個恆星之間的距離至少是50個天文單位才可能形成行星。研究者阿蘭·黑爾則認為要形成穩定的行星軌道，兩個恆星之間要麼距離小於3000萬千米，要麼大於15億千米。問題是，即是在多恆星系統中形成了行星，那它是否能有一個穩定的軌道呢？

生命的演化和成長，至少在地球上需要一個長期的穩定的條件，這就要求一個穩定的軌道。一個軌道離心率很高的行星運行時，時而進入宜居帶，時而又在宜居帶外，這樣也許對微生物還可以生存，但對於高級生命來説卻是致命的。 而且，即使形成行星，其軌道會由於多個天體引力的作用而被攝動，最終導致行星落入其中一個恆星中或被彈出系統。

聚星系統中的另一個問題就是行星所接受的恆星輻射能量。即使行星軌道與伴星在一個平面，其接受的能量也會由恆星之間的掩食發生變化。S.H.道爾在他1970年出版的《人類可以居住的行星》中估計，行星接受的能量變化達到10%也不會影響居住環境。這個是有太多爭議的問題：太陽的能量輸出變化遠遠小於此數字，但卻造成了氣候變遷，最終影響到了生命種屬的變化。

其它類型的恆星系統，如存在白矮星、中子星、黑洞等天體的系統更不適合生命產生。而對於疏散星團或者球狀星團的附近空間，將會有更多的輻射和粒子，太多的引力變化影響行星軌道。球狀星團的另一個不利之處就是它們由古老的恆星組成，因此缺乏較重的元素，正如我們所知，重元素不僅提供了生命的棲息環境，同時也是組成生命的重要部分。

對嗜極端環境微生物的的發現需要我們用與幾年前不同的概念重新考慮“宜居帶”。宜居帶常常被限定為動物的宜居帶，而那些嗜極端環境的微生物只需要很少的化學能和水就可以地下深處。而這樣的環境可以包括宜居帶以外的行星、衞星甚至小行星的近地表。

雖然根據詹姆士·卡斯廷的計算，火星處於宜居帶以外，但最近“鳳凰號火星探測器”號探測器對火星的探測表明，在非常淺的火星土壤下面有冰的存在，這樣，火星表面就與西伯利亞永久凍土相似，在冰粒表面的水膜和冰下的液態水中，就具備生命存在的條件，因此，火星説不定很快就會被劃為“宜居帶”裏。另一個例子就是木衞二，它可能有一個深達數百千米的海洋，這樣，產生和孕育生命的機會就大大增加。由此可見，即使是處於宜居帶外面的星體，它仍然有可能提供一個生命產生的條件。

美國國家科學基金會的天文學家2010年9月29日發佈報告説，他們在地球“附近”發現一顆行星。這顆行星與地球差不多大，可能適宜居住。

美國研究人員9月29日發表報告説，他們利用設在夏威夷的“凱克”天文望遠鏡發現了這顆名叫Gliese 581g的行星，它位於所在恆星系統的“宜居帶”，可能適合生命存在。宜居帶是指行星距離恆星遠近合適的區域，在這一區域中，恆星傳遞給行星的熱量適中，行星既不會太熱也不太冷。這顆行星圍繞一顆紅矮星(恆星的一種)運轉，運行一週耗時不超過37天。這顆紅矮星名為Gliese 581，距離地球大約20光年(189.21萬億公里)。以天文學標準衡量，這一距離不算遠。

研究人員發現，這顆行星處於Gliese 581附近“宜居帶”正中央。這個區域離恆星遠近合適，適於液態水和生命存在。研究人員説，與太陽系中的水星一樣，這顆系外行星也被其恆星“鎖定”，也就是説這顆行星的一面幾乎永遠面對恆星，另一面則幾乎永遠背對恆星，因此，其表面温差較大。

不過，按研究人員的説法，這顆行星明暗交界地帶最適宜居住。這顆行星的引力與地球相近，足夠防止大氣“逃逸”，又能使人類直立行走。天文學家們認為還有數百萬個這樣的類地行星等待我們去探索。