昨天各新聞媒體都登出了這則新聞:

NASA發現7顆類地球行星, 並聲稱它們是「尋找外星生命首選」

這個系統被稱為TRAPPIST-1, 距離太陽系只有40光年, 是顆紅矮星. 其直徑只比木星大一些, 因此表面溫度也只有太陽的40%左右, 是顆又冷又小的恆星系. 這個星系最特別的地方在於一次擁有7顆類地行星, 而且全部集中在水星軌道直徑之內. 水星繞日的平均半軸長約0.387AU(1AU等於地球至太陽的平均半軸長), 公轉週期88天. 但TRAPPIST-1最外圍的TRAPPIST-1h, 其平均半軸長約0.063AU, 公轉週期約20天(估計值, 上下限分別是35-14天), 最近的TRAPPIST-1b, 其數值分別是0.011AU與1.51天. 所以這是一個很小也很緊密的恆星系.

TRAPPIST-1系統的行星上看恆星的想像圖

七顆行星中有3顆在適居帶中, 分別是TRAPPIST-1e, f, g. 其中TRAPPIST-1e的位置在適居帶內緣, g在外緣, e與f的質量約地球的65%, 而g是地球的134%. 至少, 其質量應該足以維持住大氣層的存在, 因此這三棵行星的表面或許都有液態水的存在. 有水就可能產生生命, 這也是新聞的賣點. 但真的是如此嗎? 目前至少有三種情況會影響行星能否孕育出生命, 尤其在地表部份.

TRAPPIST-1恆星系

第一是有沒有足夠強大的磁場: 有沒有磁場與行星是否能存在液態水有關, 所以如果那三行星的密度與地球接近, 則三者都有可能產生磁場. 但由於TRAPPIST-1的年齡目前估算不出來(至少大於10億歲), 所以除了TRAPPIST-1g, e與f的內核是否在冷卻, 目前也難以瞭解. 以太陽系為例金星雖然是因為失控的溫室效應而變成地表溫度超過700度的行星, 但剛形成時是含有大量的水份, 可是由於金星欠缺有效的磁場(金星有磁場, 卻不是如地球般由內核產生, 因此相當微弱), 因此現在僅在大氣層中尚有水蒸氣的存在. 火星的質量太低, 難以留住水份, 加上內核已經冷卻, 所以缺乏磁場的火星, 在形成後不到30億年, 其水份就被恆星風吹散. 這三顆系外由於太靠近TRAPPIST-1, 因為被潮汐鎖定, 也就是其自轉速度與公轉速度一致, 如此一來其自轉天數分別是6, 9, 與12天, 這是否能引起地核流動而產生全球性的磁場, 目前也無從得知.


地球磁場產生原因與如何保護地球

第二是沒有季節: 由於目前TRAPPIST-1的7顆行星都可能被潮汐鎖定, 因此總有一面會永遠面向恆星, 另一面永遠見不到恆星. 也就是說, 兩面的溫差會非常大, 如果有大氣層的話, 會有非常劇烈的的大氣運動. 而且因為被潮汐鎖定, 所以傾斜角應該都不大, 也就不太容易產生季節. 如此一來生命比較能在地表生存的地方就被局限在日夜交會的區域.

第三恆星的活動: 紅矮星的壽命會非常的長(如太陽的壽命在100億年, 許多藍巨星可能只有數千萬到數億年的壽命, 可是紅矮星可能有幾百億年的壽命), 數量龐大, 加上又有行星系統, 因此一直都被認為是尋找系外生命的首選目標. 可是紅矮星的表面活動往往也比黃矮星(如太陽)要來得狂暴, 這也是因為其質量太低, 所以表面的對流層能更深入恆星內核, 也因此其表面磁場的產生也比太陽要快得多. 恆星的表面磁場的磁力線如果斷裂的話, 就會產生閃燄. 閃燄會噴發出大量帶有巨大能量的粒子, 如果行星沒有足夠的磁場保護, 這些粒子會電離化行星的大氣層, 剝離如水分子或氧氣等的分子. 太陽的閃燄有大有小, 依照目前的分類(以瓦特/平方米為單位), 分為A, B, C, M, X等五級, X級為最強等級, 任何大於10-4瓦特/平方米的能量噴發都屬於X級. 任何一個X級的閃燄命中地球的話, 都會造成嚴重的影響. 有史以來最強的閃燄發生在1859年, 那是一個X40級的閃燄, 讓夏威夷地區都能看到極光, 並讓全球電報系統過載崩潰. 而1989年一次X15級的閃燄讓加拿大魁北克省的電力系統崩潰, 造成大停電. 紅矮星的閃燄或許不會像太陽一樣有如此強大的噴發, 但問題是其行星離恆星太近, 任何等級的閃燄都有可能嚴重影響行星系統. 目前的觀測認為TRAPPIST-1應該是很穩定的恆星, 並沒有明顯能觀察到的表面活動, 或許較能允許生命的產生.

太陽閃燄, 上方的磁力線清析可見

隨著觀測技術的進步, 系外行星的數量在未來只會大量增加, 而這是我在20年前都難以想像的情況. 不過並不是有適居帶就代表有生命, 以太陽系為例, 如果有一個智慧生物於40光年外觀察太陽系, 大概也會認為有三顆行星有機會產生生命, 即金星, 地球, 與火星. 但大家都知道, 金星不可能有生命存活, 火星地表也一樣沒有. 但目前最有可能產生系外生命的星球卻遠在木星與土星, 木衛二與土衛二在地表之下都有一個龐大的地下海洋, 而且不斷的噴發顯示行星仍有地質活動並產生熱能, 因此表示這兩個衛星很有可能有生命產生.

依行星的大小有不同的適居帶,依照新的定義,地球處於適居帶的內緣,金星已不在適居帶內,而火星則在外緣

也因此, 雖然不斷的有"可能產生生命的系外行星"被發現, 但是否真的能有生命, 則仍要打上一個大問號.

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