系外卫星适合居住吗？

当我们思考宇宙中可能存在其它生命的地方时，我们更多聚焦在行星上。但在更宏大的宇宙尺度下，卫星可能是更常见的适合生命居住的地方。

一颗位于其恒星周围不冷不热的宜居带中的气态巨行星（对应地球和火星在太阳系所在的地方）可能会存在几颗宜居的卫星。在寻找系外行星的早期阶段，我们在宜居带发现的大多数行星都是巨行星，而不是和地球差不多大。我们在太阳系外发现的第一个移居的地方有可能是一颗卫星。

正是这种考虑激发了加拿大安大略省麦克马斯特大学的天文学博士后雷内·海勒（Rene Heller）。他研究 “系外卫星”如何形成，它们可能是什么样子，以及我们如何用目前或未来的天文仪器探测它们。他主要工作是测量系外卫星的移居性，这比行星的情况要复杂一些，因为它们围绕着除恒星外的另一个天体运行。

海勒和他在华盛顿大学和NASA虚拟行星实验室的同事罗里·巴恩斯（Rory Barnes）的一篇新论文研究了一颗新形成的系外行星发出的热量加上来自系内恒星的辐射是如何烘烤该行星的卫星的。 在这颗行星充分冷却之前，它的近轨道卫星可能会失去所有的水分，变得干燥和贫瘠。

“一颗系外卫星的宜居性当然受限于它在恒星宜居带的位置，但它还有第二个热源——它的宿主行星——这是必须考虑到的，”海勒说。他的论文已被《国际天体生物学杂志（The International Journal of Astrobiology）》接受并发表。“关于第二种热源，我们的研究表明，年轻而炽热的巨行星发出的光会使它们在近轨道内的卫星不适合居住。”

研究人员认为，卫星可以像行星一样适合生命居住。即使是远在宜居带之外的卫星，如木星的欧罗巴（木卫二）和土星的泰坦（土卫六），由于前者的地下海洋和后者神秘的有机化学，也为潜在的宜居性提供了诱人的线索。然而，位于宜居带的系外行星周围的卫星比这些寒冷的候选者拥有生命的可能性更大。

海勒的发现表明，在宣布一颗地球大小的，位于宜居带的系外卫星是现实生活中的潘多拉（科幻片《阿凡达》中那颗郁郁葱葱的著名卫星）之前，我们应该谨慎行事。根据其宿主行星的位置假设系外卫星适合居住之前，需要评估该卫星当前的轨道距离和推测过去的轨道距离。

“也许，我们的望远镜很快就能探测到地球大小的系外卫星，它们可能在形成后不久就已经干燥了，至今仍然是干燥的，”海勒说。 “在评估卫星的宜居性时，将其历史与其宿主行星的历史一起考虑是至关重要的。”

卫星的形成

卫星的形成方式通常被认为和行星的非常相似： 零碎的，就是这样。 在恒星诞生后环绕恒星的剩余物质盘中，行星随着大块碰撞而聚集在一起，并合并成越来越大的天体。随着它们的质量和重力的同步增长，发展中的行星也同样吸引着它们自己的小型气体和尘埃盘。在这个次级盘中的碎片然后凝聚成卫星。(值得注意的是，我们的月球是一个例外，它可能是由另一个相当大的原行星块对地球的巨大撞击而形成的）。

所有这些撞击都会产生大量的热量。因此，新诞生的行星和卫星应该是温暖舒适的。然而，岩石世界可能会保留一个水库，或者水是由早期（或后期）冰彗星的撞击补充的。

卫星在其行星周围的位置影响了其留住任何初始水的机率，使生命出现的概率不必依靠未来彗星水的运气。根据形成模型，大小适中的卫星应该在距离其宿主行星大约5到30个行星半径，或半行星宽度之间形成。被称为伽利略卫星的木星的最大的四颗卫星符合这一特征。伊奥（木卫一）的轨道距离为6.1倍木星半径；欧罗巴（木卫二）为9.7倍；盖尼米得（木卫三）为15.5倍；卡利斯托（木卫四）为27倍木星半径。土星最大的卫星，泰坦（土卫六），在21.3倍土星半径的距离上安家落户。

寻找“宜居边缘”

在他们的新论文以及之前的几篇著作中，海勒和巴恩斯试图弄清楚，对于一颗卫星来说，离行星多近的距离才能在其表面保持液态水。这个内部轨道边界他们称之为 “宜居边缘（habitable edge）”。位于其中的卫星从两个关键来源获得过载的热能：首先，卫星的扭曲，称为潮汐加热，由其与宿主行星的引力相互作用引起的；其次，来自行星的额外光亮。

在一个充满水的世界中提高温度会引发的失控的温室效应。水会受热而蒸发，产生的水蒸气特别善于吸收热量。在一个正反馈循环中，这种吸收热量方式会导致水的蒸发速度比冷却更快，而冷凝可以将其恢复为液态。随着时间的推移，一个世界上的整个给水系统最终都会变成热气。这种气体在阳光下被分解成氧和氢。后者是最轻的元素，会逃逸到太空中，世界变得干燥。

然而，轨道不是固定不变；一颗卫星今天的轨道可能不是它最初形成和存在了几百万年的位置。 刚刚提到的潮汐力通常会随着时间的推移慢慢地将卫星推到更广阔的轨道上。因此，今天观察到的卫星位置必须谨慎对待——尽管现在看起来很 "安全"，但过去它们可能已经干燥枯竭。

“今天在宜居边缘之外的卫星，因此看似宜居，可能曾经位于宜居边缘内，变得干燥且不适合居住，”海勒说。

建立模型

考虑到这些因素，海勒和巴恩斯开始创建一个可能适合居住的卫星和气态巨行星二重奏的模型。他们研究中的模型卫星的设定特意与我们在太阳系中的任何条件都不一样。为了有一个广泛的宜居区，不管是否有宜居边缘的考虑，与潜在的宜居行星相同，一颗卫星必须拥有一定的最低质量。一个宜居世界必须有足够大的质量，才能在引力作用下保留大气层，并从熔融、旋转的铁芯中产生保护磁场。

这个宜居性质量的临界点被认为至少是火星的质量，或地球质量的10%。作为比较，我们太阳系中最大的卫星——盖尼米得（木卫三），只有地球质量的四十分之一。这就是说，各种研究表明，比木星大得多的气态巨行星应该产生相对较大的卫星。

因此，研究人员选择了一个 "怪物 "行星，一颗质量为木星13倍的行星，作为他们模型的主行星。科学家们认为，在进入褐矮星或“失败恒星”领域之前，13倍质量的木星是一颗行星所能达到的最大质量；在这种情况下，这颗行星将释放出太多的热量，让大多数系外卫星永远都不会有适合居住的可能。

至于研究中假设的测试卫星，海勒和巴恩斯选择了两个：一个是地球的双胞胎，具有相同的岩石和质量，另一个是 “超级盖尼米德”，一颗质量为地球四分之一的冰冷天体。

然后，在他们的模型中，海勒和巴恩斯把这些行星和卫星组合放在一颗类太阳恒星的两个不同的轨道位置上。第一个位置与地日距离相近，大约9300万英里（1.5亿千米），被认为是处在类太阳恒星宜居带较热的一端。第二个地点是地日距离的1.7倍，略微超过了火星的轨道，这里属于宜居带的外缘。

该模型还解决了潮汐加热的问题。卫星（和行星）可以有椭圆形的轨道，周期性地让它们靠近它们的宿主。 这种轨道越“偏心”或是椭圆形，这样的轨道在摆动时越是靠近其行星，就会导致更大程度的潮汐加热。对于模型的这一部分，研究人员选择了四个离心率不同的轨道，以提供一个良好的结果范围。

最后一个数字上的考虑是行星-卫星系统的年龄。较年轻的巨行星比较老的、已冷却的巨行星释放出更多的热量。因此，我们挑选了三个年龄段：1亿年、5亿年和10亿年，最后一个代表一个相当进化的系统。

现在，有了所有这些参数，海勒和巴恩斯插入了假设的卫星与主行星的轨道距离这一关键变量。

死亡或生存？

对于两种风格的卫星，类地卫星的和超级盖尼米德，10 倍木星半径或更小的轨道距离对生命来说都是个坏消息。仅仅依靠宿主行星的光照，就会开始一场失控的温室效应，持续约2亿年——一个相当可观的地质时间跨度，而且足够长的时间肯定让卫星彻底干燥。再加上太阳的光照，类地卫星上的水蒸发周期可以持续5亿年。对于超级盖尼米德来说，是6亿年。

将假设的卫星与宿主的距离拉大到15倍木星半径，情况仍然没有什么改善；2亿多年的卫星温室效应仍然会发生。在20倍木星半径的地方，类地卫星没有受到失控的温室效应的影响，但超级盖尼米德仍然在数亿年的时间里遭受着失控的加热。

“来自超级木星宿主行星的热辐照显然可以对其卫星的宜居性产生重大影响，”海勒说。“根据行星的质量和它的光度历史，今天发现的任何外行星都需要有足够宽的轨道，以避免在遥远的过去发生干燥。”

这些发现在某种程度上是保守的，因为其他热源可能足以影响天平。这方面的例子包括新卫星在形成过程中因摩擦力和压力而产生的潜热。此外，即使在温度上升到足以启动失控的温室效应之前，生命可能也会发现它们很难开始活动——因为地面可能太热了。

然而，对于一个干旱的卫星来说，它带来生命的机会可能不会永远失去。由于引力的扰动，它可能会迁移到宜居边缘之外。一旦到了那里，离开了死亡地带，在失控的温室效应减弱之后，冰彗星对它的冲击可以带来大量的水。同样，人们认为，在地球熔化的外表冷却成硬壳之后的几百万年里，彗星的撞击也曾使地球遭受水的侵袭，从而形成了地球上允许生命存在的海洋。

因此，海勒最新研究的总体信息是，类地系外卫星的过去不容忽视。当这些世界被确定时，有必要对它们进行轨道模拟，以尝试收集它们的历史。轨道演化模型将很复杂，考虑到行星和卫星之间的潮汐效应，以及卫星、其他卫星、行星和恒星之间的引力扰动。结合行星形成和冷却模型，天体生物学家有望更好地估计系外卫星当前的宜居性。

海勒说：“重要的是我们要尽最大努力深入研究系外卫星的过去，以便更好地了解它是否可能支持外星生命。”

关于作者

基思·考因（Keith Cowing）是美国天体生物学家，曾任NASA员工，是美国太空计划博客NASA Watch的编辑。他是NASA的资深记者，并以批评NASA的活动和政策而闻名。