宜居带

一颗恒星周围的一定距离范围

“宜居带”(habitable zone)其实就是指一颗恒星周围的一定距离范围，在这一范围内水可以以液态形式存在，由于液态水被科学家们认为是生命生存所不可缺少的元素，因此如果一颗行星恰好落在这一范围内，那么它就被认为有更大的机会拥有生命或至少拥有生命可以生存的环境。

理论基础

“宜居带”也叫“适合居住带”。分多种生命对象讨论，一般研究的是“动物的宜居带”。对于任何动物、植物、以至于微生物来说，都会有一个最合适其生存的地带。如果把地球上所有生物以及它们在不同演化阶段所需要的不同条件加以总结，将这些条件扩展到所需行星的条件、太阳的条件甚至是恒星系的条件等，就有了“宇宙宜居带”的概念。

宇宙的大部分空间对于生命来说是险恶之地，只有很少的地方能成为生命的绿洲，并为生命的出现与发展提供合适的大气、适宜的温度、液态水。虚无的空间、炙热的恒星、气态的行星表面都难以驻留生命。似乎很难明确的给出生命所需要的环境条件。地球为生命提供了最基本的环境之后，无论在哪个方面都为生命提供了一个完美的栖息场所，而地球又是迄今为止发现的唯一一颗有生命驻留的星球。对“宇宙宜居带”的讨论，需要从空间、时间、生物多样性等几方面进行。

对于天文学家来说，“潜在宜居”行星是那种可以维持生命存在，但不一定能让人类生存的星球。宜居性取决于许多因素，但液态水和大气是两个最为重要的因素。一颗行星的引力会造成其主恒星的径向速度定期出现变化，而多颗行星会使得其主恒星运动出现复杂的摇摆活动。

宜居要素

位置

作为驻有各种生命的理想场所，地球一个最重要的特点就是其所处的位置，即与太阳的距离。与太阳最合适的距离是定义“宜居带”的基础，在该地带可能会有与地球相似的行星存在。宜居带中的行星接受恒星所辐射的热量即不会少得使水结冰，也不会多得使水沸腾，刚好维持一个液态的海洋。

宜居带的范围应该由外部边缘的低温和内部边缘的高温限定。太阳系的两个邻居——金星和火星给出了宜居带外部边界的例子。如果与太阳的距离近，行星表面就不会存在液态海洋，像金星；太远，又会被冻结。如果将地球向外移动一些距离，或者减弱太阳辐射，就会使地球的表面温度降低直至冰雪覆盖。渐渐的二氧化碳也被冻结，形成干冰颗粒组成的云层，最终它们被冻结在两极形成冰盖。宜居带的宽度取决于该行星与地球的异同，以及恒星的大小、年龄等。

在一个有一定碳含量的岩石行星表面，如果有一个稳定的液态海洋，它就具备了产生和驻留生命的条件。相对于地球的轨道而言，金星与太阳的距离近了30%，而火星远了50%，如果从接受阳光的角度来说，金星需要减少一半，而火星则需要增加一倍才可以。

生物

对于类地行星来说，动物的宜居带是这样一个范围：该行星可以在表面维持一个液态的海洋并且能够保持全球平均温度低于50℃。这个温度基本是动物生命生存条件的上限。

如果考虑现代人类（智慧生命）的居住环境，就会得到一个更窄的“宜居带”：即一个可以生长足够庄稼供人食用的行星。相反，一个更宽更容易定义的宜居带是微生物生存的“宜居带”：它几乎包括了整个太阳系，并在太阳系形成不久一直到现在的范围。对于其它种类的“宜居带”，则要宽于高等生物但窄于微生物。

时间

以太阳系为例，因为太阳在变亮，太阳系的宜居带也正在向外移动，由于温度增加，地球就会逐渐变为金星，不过此情形会发生在20—30亿年以后，地球处于宜居带的时间还有60—80亿年。当然，太阳的亮度不断增加，一个处于冻结的星球可能会变得适合生命产生和繁衍。

主要范围

1978年，天体物理学家迈克尔·哈特做了一个模拟计算，结果令人惊讶。他在计算中考虑了太阳光度随时间的变化。40亿年前，太阳的光度只有现在的70%。随着太阳光度的增加，宜居带向外推移。哈特将地球所处的狭窄条带随整个太阳系演变而向外推移的范围称为“持续宜居带”。

他的计算表明，如果地球与太阳的距离再远1%，在地球演化史上将会出现一个不可逆转的冰期，而如果距离再近5%，它也可能出于一个不可逆转的温室状态。假若地球的轨道更扁一些，上述的距离限制会更加严格。

现在，有人认为哈特计算的宜居带过于狭窄，因为有几个效应他没有考虑到，其中很重要的就是“二氧化碳—硅酸盐循环”其作用就像空调一样将地球的温度调节在一个合适的范围。二氧化碳含量现在只占地球大气的0.03%，但它是一种温室气体：它的红外线吸收性质可以阻止辐射到地球表面的热量重新发散到太空中。

二氧化碳—硅酸盐循环的调节开始于地表风化作用，当行星比较温暖时，充分的光照和降水冲刷作用会使得风化速度加快，此时，从硅酸盐中释放的金属离子将大气中的二氧化碳沉淀成碳酸盐，从而使大气温度下降；当地表太冷的时，风化作用和二氧化碳的沉淀速率会下降，而火山释放的二氧化碳使温室效应增强，进而使大气温度重新升高。

这种负反馈效应使“持续宜居带”加宽，也让确定宜居带的条件变的更加复杂。

据此，美国滨州州立大学的天体生物学家詹姆士·卡斯廷和他的同事将“持续宜居带”定义为：在恒星周围的一个类地行星，拥有一个含有氮气、水和二氧化碳的大气，并且形成的气候可以维持以水为基础的生命。他们在1993年时估计，太阳系持续宜居带的宽度在0.95到1.15个天文单位。这个宽度比哈特计算的结果宽的多，但实际上却仍然很窄。

恒星类型

天文学家把恒星根据颜色分成O、B、A、F、G、K、M几类。它们的颜色由蓝到红，温度由高到低，质量由大到小。我们的太阳属于G型恒星。

恒星质量越大，燃烧就越快，寿命就越短。太阳的年龄为50亿年，地球的年龄也为46亿年，而自地球诞生大约12亿年才出现简单生命，经过30亿年才出现复杂生命，所以要想孕育出生命，恒星的寿命必须足够长。此外恒星的温度也不能太高，否则紫外线可以直接进入深水处，那是不可能进化出生命的。O、B、A这三类恒星寿命短且紫外线强，不满足这个条件，满足条件的只有F、G、K、M四类恒星。

M恒星：深海生命（非常靠近恒星）

K恒星：海洋生命和极地生命（靠近恒星）

G恒星：所有生命（像地球这样宜居带）

F恒星：所有生命（比地球的宜居带要远）

宜居类型

单恒星系统的宜居带

恒星的光度决定了它的宜居带的位置，而发光度又由恒星的大小、类型和年龄决定。对于那些比太阳更大的恒星来说，其宜居带向外移动得更快，持续时间也更短。

太阳在诞生后的100亿年内会相当稳定，但是一颗质量为1.5倍太阳质量的恒星在诞生20亿年后就会进入红巨星阶段。当一颗恒星变为红巨星时，它的光度会增加数千倍，宜居带会远远的向外退去。质量为1.5倍太阳质量以上的恒星，其宜居带的时间存在时间将短得不足以演化出高级生命。由于紫外辐射的增加，更大的恒星宜居带会更远甚至没有宜居带。

人们常说太阳是一颗很典型的恒星，但事实并非如此，因为95%的恒星比太阳小。对于这些比太阳小的恒星来说，其宜居带更靠近恒星。但距离很近就会有更大的危险：当行星距离太阳很近的时候，恒星的引潮效应就很容易将行星潮汐锁定，导致行星只有一面朝向太阳。这种同步旋转会导致行星的黑暗面温度极端低下，白天温度又极高的现象。

双星系统和聚星系统的宜居带

在太阳系周围类似的恒星中有2/3是双星系统或是聚星系统。可以考虑两种情况：一种是一个或多个伴星之间距离太近，行星围绕所有的恒星转；一种是伴星之间距离遥远，行星只围绕其中一个公转。

最近一些研究表明，两个恒星之间的距离至少是50个天文单位才可能形成行星。研究者阿兰·黑尔则认为要形成稳定的行星轨道，两个恒星之间要么距离小于3000万千米，要么大于15亿千米。问题是，即是在多恒星系统中形成了行星，那它是否能有一个稳定的轨道呢？

生命的演化和成长，至少在地球上需要一个长期的稳定的条件，这就要求一个稳定的轨道。一个轨道离心率很高的行星运行时，时而进入宜居带，时而又在宜居带外，这样也许对微生物还可以生存，但对于高级生命来说却是致命的。而且，即使形成行星，其轨道会由于多个天体引力的作用而被摄动，最终导致行星落入其中一个恒星中或被弹出系统。

聚星系统中的另一个问题就是行星所接受的恒星辐射能量。即使行星轨道与伴星在一个平面，其接受的能量也会由恒星之间的掩食发生变化。S.H.道尔在他1970年出版的《人类可以居住的行星》中估计，行星接受的能量变化达到10%也不会影响居住环境。这个是有太多争议的问题：太阳的能量输出变化远远小于此数字，但却造成了气候变迁，最终影响到了生命种属的变化。

其它恒星际系统的宜居带

其它类型的恒星系统，如存在白矮星、中子星、黑洞等天体的系统更不适合生命产生。而对于疏散星团或者球状星团的附近空间，将会有更多的辐射和粒子，太多的引力变化影响行星轨道。球状星团的另一个不利之处就是它们由古老的恒星组成，因此缺乏较重的元素，正如我们所知，重元素不仅提供了生命的栖息环境，同时也是组成生命的重要部分。

带外生命

对嗜极端环境微生物的的发现需要我们用与几年前不同的概念重新考虑“宜居带”。宜居带常常被限定为动物的宜居带，而那些嗜极端环境的微生物只需要很少的化学能和水就可以地下深处。而这样的环境可以包括宜居带以外的行星、卫星甚至小行星的近地表。

虽然根据詹姆士·卡斯廷的计算，火星处于宜居带以外，但最近“凤凰号火星探测器”号探测器对火星的探测表明，在非常浅的火星土壤下面有冰的存在，这样，火星表面就与西伯利亚永久冻土相似，在冰粒表面的水膜和冰下的液态水中，就具备生命存在的条件，因此，火星说不定很快就会被划为“宜居带”里。另一个例子就是木卫二，它可能有一个深达数百千米的海洋，这样，产生和孕育生命的机会就大大增加。由此可见，即使是处于宜居带外面的星体，它仍然有可能提供一个生命产生的条件。

研究发现

美国国家科学基金会的天文学家2010年9月29日发布报告说，他们在地球“附近”发现一颗行星。这颗行星与地球差不多大，可能适宜居住。

美国研究人员9月29日发表报告说，他们利用设在夏威夷的“凯克”天文望远镜发现了这颗名叫Gliese 581g的行星，它位于所在恒星系统的“宜居带”，可能适合生命存在。宜居带是指行星距离恒星远近合适的区域，在这一区域中，恒星传递给行星的热量适中，行星既不会太热也不太冷。这颗行星围绕一颗红矮星(恒星的一种)运转，运行一周耗时不超过37天。这颗红矮星名为Gliese 581，距离地球大约20光年(189.21万亿公里)。以天文学标准衡量，这一距离不算远。

研究人员发现，这颗行星处于Gliese 581附近“宜居带”正中央。这个区域离恒星远近合适，适于液态水和生命存在。研究人员说，与太阳系中的水星一样，这颗系外行星也被其恒星“锁定”，也就是说这颗行星的一面几乎永远面对恒星，另一面则几乎永远背对恒星，因此，其表面温差较大。

不过，按研究人员的说法，这颗行星明暗交界地带最适宜居住。这颗行星的引力与地球相近，足够防止大气“逃逸”，又能使人类直立行走。天文学家们认为还有数百万个这样的类地行星等待我们去探索。

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