本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
1964年，斯蒂芬·多爾為美國空軍在加利福尼亞州聖莫尼卡的蘭德公司的一個專案發表了一份174頁的檔案。它帶著些許狂妄的意味，標題為“人類的宜居行星”，這是一項極其詳細和有先見之明的科學研究，探討了宇宙中可能支援生命的星球的性質、它們存在的可能性以及如何找到它們。閱讀它就像喝一杯詹姆斯·邦德的馬提尼，既令人振奮又令人頭暈目眩。
多爾於2000年去世，享年83歲，曾任蘭德公司人類工程小組負責人，負責處理人類在太空中的生理和身體需求。他的論文寫於新太空時代的鼎盛時期，是當時科學熱情和樂觀精神的驚人記錄；太空是人類新的命運，是我們正在進行的進化中自然而然的一部分。這份檔案在提升一個討論方面發揮了關鍵作用，而這個討論直到四十年後的今天才達到高潮——其他恆星周圍的哪些行星實際上適合我們所知的生命存在？
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
天文學家和天體生物學家之間或多或少已成為標準的“宜居性”定義很簡單，即行星的表面環境是否可以容納液態水，這通常進一步簡化為表面溫度是否在 0 到 100 攝氏度之間。這非常具有限制性，而且充滿了警告（到底有沒有水？大氣壓力不是 1 巴呢？我們指的是行星上的任何地方嗎？）。但是，鑑於我們對系外行星質量和軌道構型的瞭解最多隻有最基本的程度，至少從這一點開始評估可能性並非完全不合理。
因此，目前最大的問題是，在我們尋找其他“宜居”世界的過程中，我們目前處於什麼位置？答案實際上有幾個層面。第一個層面僅僅與我們認為宇宙製造像我們自己的密集岩石行星的頻率有關（同樣，在尋找我們可能認為適合生命的世界時，這是一個合理的首要選擇）。在令人難以置信的開普勒結果和其他望遠鏡巡天（特別是新的HARPS 結果，本週公佈）的最新發現之間，新興的答案似乎是“頻繁”。岩石行星的數量幾乎多得驚人——但需要注意的是，到目前為止，我們只探測了該種群中較重的一端，即質量是地球幾倍的世界。
事實上，正如格雷格·勞夫林在關於調和開普勒結果與多普勒探測結果的一篇精彩文章中所討論的那樣，質量小於地球 17 倍（即小於海王星大小）且軌道週期小於 50 天的行星似乎出現在所有區域性類太陽恆星的 30-50% 左右。這意味著僅在我們銀河系中就有數百億個此類行星，並且為了與觀測結果相符，其中大多數可能是緻密的岩石型別，而不是氣體“類海王星”型別。
答案的第二個層面是這些新世界中有多少可能滿足我們的“宜居性”標準。科學的敏銳追隨者會注意到，在過去幾年中，越來越多的頭條新聞“發現類地行星”的公告令人尷尬地湧現。其中最臭名昭著的是 2010 年宣佈的 格利澤 281 g——這是一顆質量為地球 3 到 4 倍的行星，圍繞一顆紅矮星執行，恰好位於軌道範圍內，為“宜居性”提供了相當可靠的預期。由於該系統距離我們只有 20 光年，這讓我們很多人感到興奮，我仍然在為我那“起雞皮疙瘩”的評論而感到尷尬。它看起來很棒，但這對於天文學來說是很困難的，它正在推動技術的極限。後來的分析和新資料現在似乎令人信服地表明，這顆行星只不過是觀測結果中一個棘手的幽靈。儘管如此，該系統中的另一個世界——假定的格利澤 281 d，一個質量約為地球 10 倍的天體——也被認為是潛在的宜居之地，同樣具有競爭力和毫無根據的宣傳。
然而，最近又湧現出許多其他候選者。開普勒的一些遙遠探測結果可能是位於其母恆星正確軌道範圍內以滿足宜居性標準的超級地球世界（質量小於地球質量的十倍左右）。但是，在超過 500 光年的距離上，很難用其他儀器進行後續觀測。在更近的地方，僅 36 光年之外，行星 HD 85512 b 是一個質量約為地球 3.6 倍的天體，圍繞一顆質量約為太陽質量 70% 且亮度約為 13% 的 K 型星執行。它的軌道非常小，每 58 天繞恆星飛馳一週，這意味著它接收到的恆星輻射幾乎與金星在我們的太陽系中接收到的輻射一樣多。卡爾滕內格、烏德里和佩佩應用了一個基本的氣候模型來研究該行星的任何構型是否可以使其“宜居”。最根本的結論是，如果各種因素到位，例如雲層反射率抵消了恆星的熱量輸入，並且假定大氣成分與地球類似，由水、二氧化碳和氮氣組成，那麼它似乎是可能的。
似乎調整一些我們珍視的地球因素——例如大氣成分、軌道形狀、潮汐能量輸入——可以從根本上重新排列系外行星系統的宜居性格局。例如，具有分子氫的更原始的大氣層可以被岩石行星保留，從而顯著增強溫室效應，擴大容納液態水世界的軌道範圍。這樣的大氣層也可能為渴望微生物生命提供驚人的化學資源。行星的潮汐撓曲，尤其是在較短的軌道上，不僅可以延長其地球物理活躍壽命（有助於氣候穩定和化學迴圈），還可以提高表面溫度。
還有衛星。我們不知道大於海王星的行星形成或捕獲衛星的效率如何，但我們自己的太陽系暗示了這種衛星可能數量眾多。足夠大的衛星可以保持大氣層（泰坦星是一個極好的例子，但很冷），並且會受到宜居行星所受到的許多外力的影響——從恆星輸入到潮汐加熱。
所有這些潛在的“宜居”地點都是具有溫帶表面環境的地方，但這可能只是冰山一角，從字面上看也是如此。在我們的太陽系中，可以相當肯定的是，大多數液態水環境（儘管是充滿氨等物質的水）都以地下海洋的形式存在。對這些黑暗水庫性質的估計表明，可能存在多達地球所有海洋體積的 10 到 16 倍的水存在於外太陽系中。將此推斷到其他地方，一切都無法預測。
那麼，鑑於這一切，我們在宜居行星方面處於什麼位置？我認為可以公平地說，一些候選者現在已經收入囊中，並且我們應該期望在未來幾年發現更多——目前的所有證據表明，我們的銀河系中充滿了各種各樣的岩石世界。我們是否應該每次聲稱發現新的“宜居”行星時都感到興奮？適度的興奮是應該的，僅僅是因為我們正在增加最終擁有目標的機率，我們可以嘗試在那裡嗅探大氣成分和生物特徵。但我們也應該將此視為初步回合。
不久前，我在《大眾科學》的客座部落格中試圖論證，我們可能會發現自己不僅僅從單個世界，而是從數百甚至數千個世界的累積證據中尋找生命跡象。我認為事情的發展方向似乎仍然是關鍵策略。這讓我回到了斯蒂芬·多爾 1964 年的分析。他估計，大約 5% 的類太陽恆星可能擁有宜居行星。將其推斷到整個銀河系，他發現總共可能有 6 億顆宜居行星。他聲稱，在地球 34 光年範圍內，可能存在 2 顆宜居行星，而在地球 100 光年範圍內，可能存在約 50 顆宜居行星。令人難以置信的是，他似乎可能是對的。