寻找宜居带：在红矮星TOI-700附近

关键要点

• 我们的宇宙充满了恒星，行星，以及 - 很可能 - 生命，尽管我们还没有在地球之外发现它。
• 然而，理想的候选者将是地球大小的，稳定的，与母星保持温和的距离，并且不受恒星暴力的影响。
• TOI-700系统几年前引起了轰动，成为TESS发现的“宜居带”内第一颗地球大小的系外行星。
• 现在，发现了第二颗地球大小的系外行星：这次是在所谓的“乐观宜居带”。这两个世界都有绝佳的生活机会，也许还会有更多。

在银河系的某个地方，可能就在银河系内，是人类将发现的第一个有人居住的星球。虽然我们不知道它是哪个世界，也不知道我们需要多长时间才能找到那些关键的、明确的生物特征，但我们完全期望，逐渐更好、更具启发性的观察将为它的发现铺平道路。毕竟，生命的成分遍布整个宇宙，每一个与岩石类地行星形成的新恒星系统都必须被视为一个机会，让一些非常非凡和独特的东西出现。

自1990年以来，我们已经发现了数千颗系外行星：围绕其他恒星运行的行星。许多大约是地球大小;许多恒星以合适的距离绕其母星运行，以便液态水可能存在于它们的表面;许多望远镜足够接近，以至于未来的望远镜 - 在2100年到来之前技术上触手可及 - 可以直接对它们进行成像，并确定它们是否真的有人居住。尽管绝大多数已知的系外行星都是由美国宇航局现已解散的开普勒任务发现的，但最有可能容纳外星生命的系统是围绕恒星TOI-700的行星系统，由正在进行的TESS任务发现。现在已知它周围至少有两个潜在的有人居住的地球大小的世界，这可能是人类在太阳系外寻找生命的最佳选择。

尽管已知超过5000颗已确认的系外行星，其中一半以上被开普勒发现，但在我们的太阳系中没有发现的行星的真正类似物。木星类似物，地球类似物和水星类似物在目前的技术中仍然难以捉摸。

(学分：NASA/艾姆斯/杰西·多特森和温迪·斯坦泽尔;由E.西格尔注释）

当谈到寻找有人居住的系外行星时，我们必须诚实地承认我们的无知是巨大的。我们不知道生命在宇宙中出现的频率有多高，也不知道它最有可能在哪里出现。我们不知道生命多久能长期生存和繁荣一次，也不知道它多久会很快消亡一次。我们不知道一个世界发展复杂甚至智能生命的可能性，我们不知道地球上生命背后的化学反应和过程在我们的星球上是否常见、罕见甚至独一无二。

然而，由于支配宇宙的法则在任何地方都是相同的，并且宇宙每个部分的成分都可以测量，我们相信我们可以确定哪些条件可能最有利于生命。特别是，发现潜在居住系外行星的理想候选者应符合以下属性：

• 它应该是岩石，大气稀薄，
• 大小与地球相似，但大不了多少，
• 围绕一颗具有稳定、连续能量输出的恒星，
• 在其表面存在液态水的距离处，
• 具有与我们自己的太阳系相似的重元素丰度，
• 经过足够的时间，生命对地球的生物圈产生了变革性的影响，
• 以及它足够接近的地方，以便近未来的技术可以揭示那些相关的关键生物特征。

太阳系外的行星或系外行星是什么样子的？此图中显示了各种可能性。科学家在1990年代发现了第一颗系外行星。截至 2023 年，这一数字刚刚超过 5，000 颗确认的系外行星。已知没有人居住，但有一些提出了诱人的可能性。

(图片来源：NASA/JPL-Caltech）

对生命的第一个——也可以说是最重要的——限制是，任何潜在的宜居世界都需要一颗合适的恒星。如果你的母星质量太大，它将经历太快的恒星演化，在短短几亿年内烘烤星球上的任何生命：没有足够的时间出现任何有趣的东西。另一方面，最常见的恒星类型，低质量红矮星，要求它们的行星处于非常近，紧密的轨道上，以接收可观的恒星能量，但在这些距离上，这些活跃的耀斑恒星很容易剥离任何大气层。在两个极端之间必须有一个“最佳点”，在那里可能出现长期、稳定、宜居的条件。

第二个限制——可以说，至少与第一个一样重要——是关于所讨论的地球本身的性质。虽然像金星或地球这样的行星的质量/大小与像天王星或海王星这样的质量/大小之间存在很大的差距，但只有一颗具有可接近的固体表面和稀薄的气体大气层的行星才对类似于我们自己星球上发现的生命形式感兴趣。因此，水星大小的行星可能太小了，但在你的大气层变得太厚而无法像地球一样的生命之前，你只能比地球大25-30%左右（大约是地球质量的两倍）。

当我们按质量和半径对已知的系外行星进行分类时，数据表明只有三类行星：类地/岩石，具有挥发性气体包层但没有自压缩，以及具有挥发性包层和自压缩。任何高于此的东西都是一颗星星。行星大小在土星和木星之间的质量达到峰值，越来越重的世界变得越来越小，直到真正的核聚变点燃并诞生一颗恒星。在大约1.25地球半径以上，挥发性包络层很常见。

(学分：J. Chen 和 D. Kipping，ApJ，2017）

尽管现在已经确定了5000多颗系外行星，但根据这些标准，它们中很少有真正成为生命的良好候选者。大多数已发现的系外行星都比地球大得多，并且周围可能有大量的挥发性气体包层，不利于表面生命的潜力。我们所知道的大多数地球大小的系外行星都是热的：非常接近它们的母星，并且在“宜居带”的任何合理定义之内。

在恒星宜居带内发现的大多数地球大小的系外行星都位于质量最低的恒星周围：微小的红矮星倾向于大量耀斑，使得轨道行星大气层的生存不太可能。大多数被吹捧为可能拥有生命的系外行星 - 例如，包括Proxima Centauri B和围绕TRAPPIST-1系统的行星 - 被发现在活跃的耀斑红矮星周围，这些红矮星很可能在短时间内剥离任何周围世界的大气层。

TRAPPIST-1系统包含目前已知的任何恒星系统中最像类地的行星，并且显示的温度相当于我们自己的太阳系。然而，这七个已知的世界存在于一颗低质量、持续燃烧的红矮星周围。他们可能都没有大气层了。

(图片来源：NASA/JPL-Caltech）

正是这些因素的组合使 TOI-700 系统如此引人注目、有趣。虽然TOI-700是一颗M级恒星 - 一颗红矮星 - 但它是目前质量较大的红矮星之一，质量超过太阳的40%。由于它只是缓慢旋转，每54天完成一次完整的360 旋转（甚至比太阳慢），因此其活动水平相当低。与缓慢旋转者一致，它从未被看到耀斑，太阳黑子活动可以忽略不计，并表明这颗恒星已经存在了一段时间：至少已经存在了15亿年。此外，它的重元素含量与我们的太阳几乎相同。

TOI-700最初来自TESS任务，发现它周围有三颗行星，现在已知至少有四颗行星，其中两颗可能有人居住。它已知的行星是：

• TOI-700b，轨道周期为10天，大小是地球的91.4%，
• TOI-700c，轨道周期为16天，尺寸是地球的2.6倍，
• TOI-700e，新行星，周期为28天，是地球大小的95%，
• 和TOI-700d，这是TESS在恒星系统宜居带中发现的第一颗地球大小的行星，周期为37天，大小是地球的105%。

虽然TOI-700c可能是某种迷你海王星，但其他三颗行星几乎可以肯定是岩石。有趣的是，既然已经发现了第四颗行星，这些行星似乎以一系列共振运行。特别：

• TOI-700b 每完成 5 整转，TOI-700b 完成 8 整转，
• TOI-700c 通过 TOI-700e 每转 4 转完成 7 整转，
• TOI-700e 每完成 4 转 TOI-700d 完成 3 转。

由于TESS在诸如此类的单个目标上花费的高质量观测时间有限，因此重要的是要认识到TOI-700d外部可能还有更多世界有待发现，而更多的观察时间将是发现它们的关键。

重要的是，在每颗恒星周围，都应该有一个我们称之为宜居带的区域：如果这颗行星具有与地球相似的大气层和成分，那么它的表面就会有液态水，而它与母星的距离。还有一个扩展的（或乐观的）宜居带，在那里，对地球的大气特性进行一些修补仍然可以在适当的条件下允许地表液态水。

新发现的系外行星TOI-700e可能有也可能没有有人居住，因为它位于我们目前认为的宜居带的边界上。在背景中，更遥远的 TOI-700d 绝对是有人居住世界的候选者。

(图片来源：NASA/JPL-Caltech/Robert Hurt）

当你将这组条件应用于TOI-700系统时，你会发现内部的两颗行星TOI-700b和TOI-700c太热了，对任何类型的生物活动都不感兴趣，TOI-700c也面临着可能不是岩石行星的问题。然而，TOI-700e和TOI-700d几乎可以肯定是岩石，内层行星位于“乐观”宜居带，外层行星位于正常宜居带。这两颗行星，即使潮汐锁定在它们的恒星上，可能仍然是承载生命和实际居住的绝佳候选者。

还有一种建议 - 令人信服，因为母星的宜居带延伸比TOI-700d的轨道远得多 - 也许还有另一颗行星，也许也是岩石，可能存在于TOI-700宜居带的中间。随着更多的TESS数据以及检测频率较低但仍周期性凌日的机会，我们可能会有多达三个甚至四个候选世界成为生命的家园。

TOI-700系统的已知当前架构，有四颗已知的系外行星，一颗在乐观宜居带，一颗在保守宜居带。更多的岩石行星也可能存在于更远的宜居带;我们需要更多更好的数据来确定情况是否如此。

(图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心）

然而，关于M级红矮星周围是否有生命的可能性有很多担忧，这些担忧不一定那么容易被忽视。总的来说，这些红矮星几乎可以保证将它们的轨道行星潮汐锁定在自己身上，这样一边总是面向它们的母星，另一边总是背对着。平均而言，它们发出的紫外线辐射很少，大部分能量都在红外光中，但具有X射线爆发和大量耀斑。这就是为什么人们经常谈论类似太阳的恒星 - K级（质量略小于太阳），G级（包括太阳）和F级（比太阳稍大） - 作为有人居住的行星的理想候选者。

但这只是一个普遍的想法，而不是硬性规定。TOI-700对于红矮星来说非常有趣，因为就像开普勒感兴趣的两颗恒星开普勒-186和开普勒438一样，它们都拥有潜在的岩石，宜居行星，它非常接近K级和M级恒星之间的边界。如果这些恒星不耀斑，不剥离它们的轨道行星大气层，它们可能是生命在极长时间内出现和繁荣的相对理想的地点。

在错误的大气中，就像以二氧化碳为主的大气层一样，热量会均匀地通过 TOI-700d 传输，严重不利于它的生活。即使其他一切都恰到好处，这也可能阻止生命在世界上发展。

(图片来源：Engelmann-Suissa et al./NASA 戈达德太空飞行中心）

重要的是，这个系统上有很多新数据。TESS即将进入一个时期，它将调查包含这颗恒星及其行星系统的天空区域，收集更多可能揭示其他外层行星的数据。使用ESO超大望远镜上的ESPRESSO仪器来跟踪母星TOI-700的运动如何随时间变化，这应该可以很好地揭示该系统中行星的行星质量，尤其是最里面的行星。

还有关于恒星紫外线光谱的数据，这可能导致关于轨道行星上可能的大气行为和特性的结论。尽管这些行星都可能被潮汐锁定，但仍有可行的场景，这些世界适合居住。如果大气中富含二氧化碳，世界将均匀地变热，并带有环绕行星的风。尽管生活不受欢迎，但一个潮湿的、海洋覆盖的世界可能仍然允许居住。但是，一个无云、无海洋、具有类似地球大气层的世界将拥有从夜侧到白天的风，在昼夜边界上有一个潜在的可居住性环。通过即将到来的测量，我们也许能够推断周围世界的潜在可居住性。

TOI-700d可能会出现更多类似地球的条件，其不同大气成分之间的平衡恰到好处。沿着昼夜边界之间的环状区域，生命现在可能正在蓬勃发展。

(图片来源：Engelmann-Suissa et al./NASA 戈达德太空飞行中心）

只有极少数行星系统是真正优秀的候选者，因为它们周围有居住的世界，而TOI-700系统，从许多指标来看，是当今已知最有可能在其周围生物活动的系统的竞争者。它已经存在了超过15亿年：生物活动有足够的时间将地球表面与大气层相遇的薄区域转变为丰富的生物圈，并有可能引发全球范围内对自身大气的变化。

如果生命要改变这样一个世界大气内容的组成，我们有可能用未来的天文台来探测它，比如即将到来的宜居世界天文台，或者拟议的LUVOIR任务。虽然我们还没有找到地球之外有人居住的行星的第一个实例，但它不仅是21世纪技术所能企及的，而且是我们正在一点一点地接近的东西，随着随后的每一次观察。现在有少数系统是我们在自家后院以外寻找生命的绝佳目标，在距离我们仅101光年的地方，TOI-700可能会为人类提供迄今为止最好的机会！