外星世界当如何？论建模的重要性（幽冥行星）

地球气候模型如何帮助科学家描绘难以想象的异星世界中的生命体

在马里兰州的格林贝尔特，美国宇航局戈达德太空飞行中心的西北边界有一处毫不起眼的砖石建筑，上万台自动售货机大小的计算机在此排排码开，不间断地进行数据处理，合唱般地发出嗡嗡巨响。昼不歇夜不停，它们每秒能进行7千万亿次运算。这些机器便是万人皆知的美国宇航局超级计算机，被委以处理复杂的气候模型运算的重任，并以此预知地球未来的气候状况。

而如今，它们的重任远不止此。人类过去20年发现了超过4000个奇特的太阳系外星体，引人好奇。计算机正致力于研究，这些星体中是否有谁能够支撑生命存在。

科学家发现，答案不仅是有，而且其生命的存在条件相对地球而言，有一些着实匪夷所思。这个发现让科学家们开始想一个问题：会不会是我们对宜居星球的形成条件理解得太局限了？而这对美国宇航局寻找地外生物十分关键。

新一代强大的望远镜和太空天文台会给我们提供更多线索，也能让科学家们首次分析他们最感兴趣的星体大气组成，如果是像地球一样的岩态行星，那很可能会存在对生命体必不可少的物质——液态水——流淌在其表面。

探测遥远的大气层暂时还存在困难。以现今的技术，向太阳系外最近的行星，即系外行星，发射宇宙飞船要费时75000年。即使望远镜足够强大，细致研究近距离系外行星还是不现实的。问题在于它们体积太小而其恒星的光芒太盛，科学家无法辨别它们反射的微弱的光信号——这些信号能够反映其表面是否有生命体的化学物质。

换言之，探测这些幽灵行星的大气成分，正如很多科学家所说，就好比站在华盛顿却想看清拉斯维加斯探照灯旁飞舞的萤火虫。这让地球气候模型对系外行星的选择很苛刻，卡尔·司德普菲尔德说。卡尔是位于加利福尼亚州，帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室的首席系外行星科学家。 “气候模型会对我们在系外行星上的所见做出具体可靠的预测，”他说。“这对我们设计未来的望远镜和制定观察策略具有重要意义。”

地球气候模型示意图（图源：Schmidt Futures）

太阳系还是个好模型吗？

用地面和太空望远镜观测宇宙，天文学家发现了五彩缤纷的世界，形态各异得仿佛是谁的想象画。

“曾有很长一段时期，科学家们热衷于寻找与太阳、地球类似的系统。我们的认识太局限，”伊丽莎·昆塔娜说，她是美国宇航局戈达德太空飞行中心的一名天体物理学家，于2014年领导发现了体积地球大小的Kepler-186f行星。“但后来我们发现行星多样性是多么广阔，我们找到的行星有和月球一般小的，也有巨型的；有绕着小恒星、大恒星或合星运行的各式行星。”

实际上，美国宇航局的开普勒太空望远镜、凌日系外行星巡天卫星和地面观察观测到的大多数行星都不存在于太阳系。它们的大小介于地球和气态天王星之间，气态天王星体积是地球的四倍。

当行星运行经过地球和其所绕恒星的中间时，我们能观测到恒星有淡淡的黑影，因为运行的行星挡住了它的部分光线。测量这些恒星光线下的黑影是一种名为“中天法”的技术，科学家们常用来观测系外行星。科学家绘制了“光变曲线”图，展示了恒星亮度随时间变化的图像。通过此图科学家能看到被行星挡去的光相对恒星的占比、行星通过星盘所用的时间，这些信息能帮助估计行星到其恒星的距离和它的质量。

来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

目前发现的与地球体积相近，理论上最有可居住性的行星都是围绕红矮星运行的。宇宙中的恒星绝大部分是红矮星。我们之所以有此发现，可能是由于红矮星相对太阳而言体积更小亮度更暗，所以望远镜能够更轻易地探测到绕其运行的行星的信号。

红矮星体积小，行星们不得不紧挨着它绕行——紧挨得比水星太阳的距离还近——只有足够近才能待在红矮星的引力范围内。相比其他所有恒星，红矮星温度低，行星也只有靠保持近距离获得足够热量，维持其表面的液体积聚。

2014年，美国宇航局的斯威夫特任务探测到了一系列破纪录的X射线耀斑，这是由附近两颗红矮星组成的双星DG CVn释放出的，如图示。高峰时，最先开始的耀斑在X射线波段中的亮度比双星全波段正常情况下的亮度合起来还要亮。

来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

这一发现的最引人瞩目的红矮星，半人马座比邻星b，或简称半人马座b，是最近的系外行星。在TRAPPIST-1行星系统附近还存在七个岩态行星，它们是否存在生命还有争议。科学家指出红矮星向其行星发射的有害紫外线和X射线是太阳向太阳系辐射的500倍。就表面判断，这样的环境能让任何靠近红矮星的行星大气层剥离、海洋蒸发、DNA灼伤。

但，或许事不至此。地球气候模型显示，即使有辐射，红矮星周围的岩态行星也能让生命存活。

云层有神奇魔力

安东尼·戴尔·基尼奥是刚从位于纽约的美国宇航局戈达德太空研究所退休的行星气候科学家。他在职时模拟过地球和其他行星的气候，包括半人马座b。

戴尔·基尼奥的团队近来正在模拟半人马座b上可能的气候，测试哪些气候能让它有足够的热度和湿度去让生命存活。这样的模型能帮助美国宇航局科学家甄别有希望的行星，值得用宇航局即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜进行更细致的研究。

“我们的研究虽然无法直接告诉观测者哪个行星可居住，但我们能告诉的是在众多优秀的备选行星中某个行星值不值得更深入研究。” 戴尔·基尼奥说。

半人马座b围绕半人马座比邻星运行，形成一个三星系统，距太阳不过4.2光年。除此之外，科学家也没有获得更多信息。通过观测半人马座b运行时与其恒星的引力大小能估计出它的质量比地球稍大，科学家们因此笃定它是岩态的。

半人马座b的问题在于，它与其恒星的距离是地球到太阳距离的20倍近，所以它绕行一圈只用11.2天（地球绕太阳一圈用时365天）。根据物理学，这样亲密的距离能把半人马座b锁在恒星的引力范围内，就像月球处在地球引力范围内一样。若真如此，半人马座b的一面受恒星的强烈辐射，另一面则冰冻在宇宙无穷的黑暗中，哪一面都不是有生命的好兆头。

但戴尔·基尼奥的模拟显示，即使所处环境严峻，半人马座b和任何与它特征相似的行星都有可能孕育生命。“其中云层和海洋起了主要作用，” 戴尔·基尼奥说道。

戴尔·基尼奥的团队更新了上世纪70年代首次研究出的地球气候模型，新创了行星模拟器，命名为ROCKE-3D。半人马座b有没有大气层是个开放性的关键问题，有望在未来运用望远镜解决。而戴尔·基尼奥团队认为它有。

根据形态不同、包含温室气体数量不同，戴尔·基尼奥团队制作了不同的模拟器模拟半人马座b的大气层。他们甚至模拟了不同深度、面积和盐分的海洋，不断调整海洋、陆地的比例，研究这些不同如何影响星球的气候。

诸如ROCKE-3D这类的行星模拟器形成之初只是基于行星的几条基本信息：大小、质量、其与恒星的距离。科学家们能通过观察行星掠过恒星时恒星发出的光、测量恒星对绕其运行的行星的引力大小，就能推出上述信息。

这些零碎的信息却是对应了百万条计算机密码，能最终合成最精细复杂的气候模型。这些密码指导如美国宇航局发现号超级计算机运用现有的自然规律模拟出全球气候系统。在大量因素中，气候模型主要考虑云层和海洋如何相互循环影响、太阳辐射如何与行星的大气和表面相互作用。

戴尔·基尼奥团队在发现号上运行ROCKE-3D时，发现半人马座b的假想云层像一把巨大的太阳伞，改变了太阳辐射方向，大大降低了星球上的温度，不会过热，而是温暖。

其他科学家发现，半人马座b的云层十分巨大，如果从星球表面抬头看，能看到云层覆盖了整个天空。

“如果一个行星被引力锁定绕恒星的轴心慢慢旋转，恒星前方会形成一圈云层，始终隔在它与行星之间。这是由于著名的科里奥利效应，造成了在大气层因恒星辐射气温变高的地方形成了对流，” 戈达德行星科学家拉维·科帕普鲁说道，他也从事外星气候模拟的研究“我们的模型显示半人马座b可能就是这种情况。”

半人马座b的大气海洋循环让星球白昼的气温比我们预想的高，把温暖的空气、水分带到整个星球，随之提高了星球背阴面的温度。“所以这不仅让处于黑夜一面的星球免受寒冷，甚至让这一面星球即使在根本不见光的情况下，也能保存液态水。” 戴尔·基尼奥说。

这是从ROCKE-3D模型上摘录下的Fortran代码，用以计算行星绕恒星运行时的轨道细节。这是由地球模型改进而来的，故适用于处于任何轨道的任何行星，包括被“潮汐锁定”的行星，它们一面永远朝向恒星。这个代码能够随时预测恒星在行星天空多高的地方，进而确定行星温度有多高、白天黑夜各占多少时长、是否有四季，若有，又分别多长。

来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心 / 安东尼·戴尔·基尼奥

全新视角审视古老模型

大气层像信封，包裹着星球周围的颗粒。除了有助于星球的热循环，大气能将滋养生命的气体或生命本身产生的气体分散各地。

这些气体即是所谓的“生物标志物”，是科学家们在外星大气层中会着重寻找的物质。但这些物质究竟具体是什么尚不分明。

地球的大气层是科学家们唯一能参照的含有生命赖以生存物质的大气层。然而在用地球的大气物质作为模型对照银河系其他星球时，他们不得不慎而又慎。戈达德行星科学家吉娅达·阿尼演示的模拟显示，即使再基础不过的物质，如氧气——最主要的生命和光合作用不可或缺的标志——在模型对照中也困难重重。