零距離科學:紅矮星的行星——「第二個地球」的可能

零距離科學:紅矮星的行星——「第二個地球」的可能

我們想讓你知道的是

以往,天文學家常覺得第二個地球只存在於另一個太陽系,忽視了紅矮星(Red dwarf)的行星也有作為第二個地球的可能。在浩瀚的星空中,紅矮星所佔的比例要比像太陽般的恆星大得多,這個認知霎時讓天文學家豁然開朗!

文:吳家亮(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台

不知大家喜不喜歡看末日電影?很常有的橋段是:一個小行星快要撞上地球,人類想盡辦法扭轉這個悲劇,例如是發射核彈把小行星的軌道改寫,最後全人類安然無恙,渡過難關。這些末日電影常會引發一個問題:當地球危在旦夕時,我們可否另覓星球居住?

這個問題放到天文學家的研究中,就變成了:太陽系外有容許液態水存在的宜居星球嗎?那這些星球會否有生命的存在?甚至有著比我們還要高的智慧?今集的《零距離科學》,正要跟大家一起探索「第二個地球」的可能。

浩瀚星空大搜索

以往,天文學家常覺得第二個地球只存在於另一個太陽系,忽視了紅矮星(Red dwarf)的行星也有作為第二個地球的可能。在浩瀚的星空中,紅矮星所佔的比例要比像太陽般的恆星大得多,這個認知霎時讓天文學家豁然開朗!

紅矮星的表面溫度和亮度比太陽低,但壽命卻比太陽長。要發現紅矮星的行星,就要倚靠之前在另一個太陽系介紹過的凌日法。由於這牽涉到觀察紅矮星亮度的些微變化,太空望遠鏡比地表的望遠鏡更能派上用場,因為它們不受地球大氣雲層的影響。

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紅矮星(右)的表面溫度和亮度比太陽(左)低。

經過天文學家的多番努力,並得著私人機構及美國國家航空暨太空總署資助,專責搜索第二個地球的太空望遠鏡——凌日系外行星巡天衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,簡稱TESS)終於在2018年4月18日由Space X搭載升空。

TESS跟一般太空望遠鏡不一樣,它並不是專注探索一個小範圍的星空,而是不斷轉動它的照相機把四面八方的星空全拍下來,可以說是一個星空的大數據調查,並為其他太空或地面望遠鏡提供仔細觀察的目標。TESS的目標是發現超過20,000顆系外行星,其中大約500至1000顆有著跟地球相似的特徵,再其中的約20顆會位於宜居帶(Habitable zone)。

氣候大不同

由於紅矮星的表面溫度較太陽低,它的宜居帶處於接近恆星的位置。因著這個緣故,行星被紅矮星的引力大大影響,它永遠都以同一面朝著紅矮星,就如月球永遠以同一面朝著我們一般。這種效應名為潮汐鎖定(Tidal locking)。

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紅矮星(下)的宜居帶較接近恆星。
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處於適居帶的行星會被紅矮星的引力影響,出現潮汐鎖定的效應。

潮汐鎖定導致這顆行星的氣候跟地球完全不同。其中一個半球受著永恆的日照,而另一半球則被永恆的黑夜籠罩。那豈不是一個半球熱得像火爐,另一個半球則讓人冷得發顫?原來又未必如此。

科學家以電腦模擬行星的氣候,發現行星最接近紅矮星的區域,亦即日照最猛烈的地方,會出現一片極大的積雨雲,雨像瀑布般一傾而下。但雨水在半空中就會遇熱蒸發,水蒸氣繼而透過對流活動把熱能帶往整個星球。

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電腦模擬出來的行星空氣對流活動,左方深紅色的位置是最接近紅矮星的區域,亦即日照最猛烈的地方。
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在日照最猛烈的位置,會出現一片極大的積雨雲,雨像瀑布般一傾而下。

有一個地區最值得關注。那就是光與暗的交界位置——晨昏地帶(Twilight zone)。這區沐浴在永恆的紅光中,平均溫度大概為攝氏0至20度,間中的雨水為大地帶來了生機。科學家認為這區最有可能孕育出生命。

生物狂想曲

那這些生物會長成甚麼模樣?有科學家結合想像和推理,模擬出微光帶生物的形態。由於潮汐鎖定效應,紅矮星的位置在天空中一動也不動,植物會全部偏向該方向生長。此外,由於紅矮星大多以紅外線的光譜照耀著星球,植物的光合作用機制會跟地球上的不大相同。

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科學家認為日夜交界的區域最容易孕出生命。

科學家認為這些行星的大氣密度會比地球高,更多生物或會在陸天穿梭,如同地球上的鳥類,有些生物甚至會演化出海天穿梭的技能。也許,有種生物會消化食物,製造氫氣,繼而令自己的身體膨脹,飛上天上,以隨著氣流飄浮的微生物作為食物。也許,有種生物會演化出能進行光合作用的翅膀。也許⋯⋯

正因紅矮星的壽命比太陽長得多,生物有更長的時間不斷演化。劇烈的競爭也許促進了高智慧生物的湧現。大家看見這幾段文字出現了很多的「也許」,不錯,這些全都沒有確切證據,現今的技術只能讓科學家透過測量行星大氣的光譜,推算出大氣的成分,看看有沒有氧氣、二氧化碳、甲烷這些生物排放的氣體。

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科家家想像中的生物模樣。

或許,我們距離找到外星生命的證據不遠,但是,要移居到這些最少幾十光年之遙的星球,則還是一樁天方夜譚,現階段還是交給科幻小說和電影繼續這些狂想吧!

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31播映。本集於12月4日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex