當我們思考宇宙中可能存在其它生命的地方時，我們更多聚焦在行星上。但在更宏大的宇宙尺度下，衛(wèi)星可能是更常見的適合生命居住的地方。

一顆位于其恒星周圍不冷不熱的宜居帶中的氣態(tài)巨行星（對應(yīng)地球和火星在太陽系所在的地方）可能會存在幾顆宜居的衛(wèi)星。在尋找系外行星的早期階段，我們在宜居帶發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)行星都是巨行星，而不是和地球差不多大。我們在太陽系外發(fā)現(xiàn)的第一個移居的地方有可能是一顆衛(wèi)星。

正是這種考慮激發(fā)了加拿大安大略省麥克馬斯特大學(xué)的天文學(xué)博士后雷內(nèi)·海勒（Rene Heller）。他研究 “系外衛(wèi)星”如何形成，它們可能是什么樣子，以及我們?nèi)绾斡媚壳盎蛭磥淼奶煳膬x器探測它們。他主要工作是測量系外衛(wèi)星的移居性，這比行星的情況要復(fù)雜一些，因為它們圍繞著除恒星外的另一個天體運行。

海勒和他在華盛頓大學(xué)和NASA虛擬行星實驗室的同事羅里·巴恩斯（Rory Barnes）的一篇新論文研究了一顆新形成的系外行星發(fā)出的熱量加上來自系內(nèi)恒星的輻射是如何烘烤該行星的衛(wèi)星的。 在這顆行星充分冷卻之前，它的近軌道衛(wèi)星可能會失去所有的水分，變得干燥和貧瘠。

“一顆系外衛(wèi)星的宜居性當然受限于它在恒星宜居帶的位置，但它還有第二個熱源——它的宿主行星——這是必須考慮到的，”海勒說。他的論文已被《國際天體生物學(xué)雜志（The International Journal of Astrobiology）》接受并發(fā)表?！瓣P(guān)于第二種熱源，我們的研究表明，年輕而熾熱的巨行星發(fā)出的光會使它們在近軌道內(nèi)的衛(wèi)星不適合居住?！?/p>

研究人員認為，衛(wèi)星可以像行星一樣適合生命居住。即使是遠在宜居帶之外的衛(wèi)星，如木星的歐羅巴（木衛(wèi)二）和土星的泰坦（土衛(wèi)六），由于前者的地下海洋和后者神秘的有機化學(xué)，也為潛在的宜居性提供了誘人的線索。然而，位于宜居帶的系外行星周圍的衛(wèi)星比這些寒冷的候選者擁有生命的可能性更大。

海勒的發(fā)現(xiàn)表明，在宣布一顆地球大小的，位于宜居帶的系外衛(wèi)星是現(xiàn)實生活中的潘多拉（科幻片《阿凡達》中那顆郁郁蔥蔥的著名衛(wèi)星）之前，我們應(yīng)該謹慎行事。根據(jù)其宿主行星的位置假設(shè)系外衛(wèi)星適合居住之前，需要評估該衛(wèi)星當前的軌道距離和推測過去的軌道距離。

“也許，我們的望遠鏡很快就能探測到地球大小的系外衛(wèi)星，它們可能在形成后不久就已經(jīng)干燥了，至今仍然是干燥的，”海勒說。 “在評估衛(wèi)星的宜居性時，將其歷史與其宿主行星的歷史一起考慮是至關(guān)重要的?！?/span>

衛(wèi)星的形成

衛(wèi)星的形成方式通常被認為和行星的非常相似： 零碎的，就是這樣。 在恒星誕生后環(huán)繞恒星的剩余物質(zhì)盤中，行星隨著大塊碰撞而聚集在一起，并合并成越來越大的天體。隨著它們的質(zhì)量和重力的同步增長，發(fā)展中的行星也同樣吸引著它們自己的小型氣體和塵埃盤。在這個次級盤中的碎片然后凝聚成衛(wèi)星。(值得注意的是，我們的月球是一個例外，它可能是由另一個相當大的原行星塊對地球的巨大撞擊而形成的）。

所有這些撞擊都會產(chǎn)生大量的熱量。因此，新誕生的行星和衛(wèi)星應(yīng)該是溫暖舒適的。然而，巖石世界可能會保留一個水庫，或者水是由早期（或后期）冰彗星的撞擊補充的。

衛(wèi)星在其行星周圍的位置影響了其留住任何初始水的機率，使生命出現(xiàn)的概率不必依靠未來彗星水的運氣。根據(jù)形成模型，大小適中的衛(wèi)星應(yīng)該在距離其宿主行星大約5到30個行星半徑，或半行星寬度之間形成。被稱為伽利略衛(wèi)星的木星的最大的四顆衛(wèi)星符合這一特征。伊奧（木衛(wèi)一）的軌道距離為6.1倍木星半徑；歐羅巴（木衛(wèi)二）為9.7倍；蓋尼米得（木衛(wèi)三）為15.5倍；卡利斯托（木衛(wèi)四）為27倍木星半徑。土星最大的衛(wèi)星，泰坦（土衛(wèi)六），在21.3倍土星半徑的距離上安家落戶。

尋找“宜居邊緣”

在他們的新論文以及之前的幾篇著作中，海勒和巴恩斯試圖弄清楚，對于一顆衛(wèi)星來說，離行星多近的距離才能在其表面保持液態(tài)水。這個內(nèi)部軌道邊界他們稱之為 “宜居邊緣（habitable edge）”。位于其中的衛(wèi)星從兩個關(guān)鍵來源獲得過載的熱能：首先，衛(wèi)星的扭曲，稱為潮汐加熱，由其與宿主行星的引力相互作用引起的；其次，來自行星的額外光亮。

在一個充滿水的世界中提高溫度會引發(fā)的失控的溫室效應(yīng)。水會受熱而蒸發(fā)，產(chǎn)生的水蒸氣特別善于吸收熱量。在一個正反饋循環(huán)中，這種吸收熱量方式會導(dǎo)致水的蒸發(fā)速度比冷卻更快，而冷凝可以將其恢復(fù)為液態(tài)。隨著時間的推移，一個世界上的整個給水系統(tǒng)最終都會變成熱氣。這種氣體在陽光下被分解成氧和氫。后者是最輕的元素，會逃逸到太空中，世界變得干燥。

然而，軌道不是固定不變；一顆衛(wèi)星今天的軌道可能不是它最初形成和存在了幾百萬年的位置。 剛剛提到的潮汐力通常會隨著時間的推移慢慢地將衛(wèi)星推到更廣闊的軌道上。因此，今天觀察到的衛(wèi)星位置必須謹慎對待——盡管現(xiàn)在看起來很 "安全"，但過去它們可能已經(jīng)干燥枯竭。

“今天在宜居邊緣之外的衛(wèi)星，因此看似宜居，可能曾經(jīng)位于宜居邊緣內(nèi)，變得干燥且不適合居住，”海勒說。

建立模型

考慮到這些因素，海勒和巴恩斯開始創(chuàng)建一個可能適合居住的衛(wèi)星和氣態(tài)巨行星二重奏的模型。他們研究中的模型衛(wèi)星的設(shè)定特意與我們在太陽系中的任何條件都不一樣。為了有一個廣泛的宜居區(qū)，不管是否有宜居邊緣的考慮，與潛在的宜居行星相同，一顆衛(wèi)星必須擁有一定的最低質(zhì)量。一個宜居世界必須有足夠大的質(zhì)量，才能在引力作用下保留大氣層，并從熔融、旋轉(zhuǎn)的鐵芯中產(chǎn)生保護磁場。

這個宜居性質(zhì)量的臨界點被認為至少是火星的質(zhì)量，或地球質(zhì)量的10%。作為比較，我們太陽系中最大的衛(wèi)星——蓋尼米得（木衛(wèi)三），只有地球質(zhì)量的四十分之一。這就是說，各種研究表明，比木星大得多的氣態(tài)巨行星應(yīng)該產(chǎn)生相對較大的衛(wèi)星。

因此，研究人員選擇了一個 "怪物 "行星，一顆質(zhì)量為木星13倍的行星，作為他們模型的主行星?？茖W(xué)家們認為，在進入褐矮星或“失敗恒星”領(lǐng)域之前，13倍質(zhì)量的木星是一顆行星所能達到的最大質(zhì)量；在這種情況下，這顆行星將釋放出太多的熱量，讓大多數(shù)系外衛(wèi)星永遠都不會有適合居住的可能。

至于研究中假設(shè)的測試衛(wèi)星，海勒和巴恩斯選擇了兩個：一個是地球的雙胞胎，具有相同的巖石和質(zhì)量，另一個是 “超級蓋尼米德”，一顆質(zhì)量為地球四分之一的冰冷天體。

然后，在他們的模型中，海勒和巴恩斯把這些行星和衛(wèi)星組合放在一顆類太陽恒星的兩個不同的軌道位置上。第一個位置與地日距離相近，大約9300萬英里（1.5億千米），被認為是處在類太陽恒星宜居帶較熱的一端。第二個地點是地日距離的1.7倍，略微超過了火星的軌道，這里屬于宜居帶的外緣。

該模型還解決了潮汐加熱的問題。衛(wèi)星（和行星）可以有橢圓形的軌道，周期性地讓它們靠近它們的宿主。 這種軌道越“偏心”或是橢圓形，這樣的軌道在擺動時越是靠近其行星，就會導(dǎo)致更大程度的潮汐加熱。對于模型的這一部分，研究人員選擇了四個離心率不同的軌道，以提供一個良好的結(jié)果范圍。

最后一個數(shù)字上的考慮是行星-衛(wèi)星系統(tǒng)的年齡。較年輕的巨行星比較老的、已冷卻的巨行星釋放出更多的熱量。因此，我們挑選了三個年齡段：1億年、5億年和10億年，最后一個代表一個相當進化的系統(tǒng)。

現(xiàn)在，有了所有這些參數(shù)，海勒和巴恩斯插入了假設(shè)的衛(wèi)星與主行星的軌道距離這一關(guān)鍵變量。

死亡或生存？

對于兩種風(fēng)格的衛(wèi)星，類地衛(wèi)星的和超級蓋尼米德，10 倍木星半徑或更小的軌道距離對生命來說都是個壞消息。僅僅依靠宿主行星的光照，就會開始一場失控的溫室效應(yīng)，持續(xù)約2億年——一個相當可觀的地質(zhì)時間跨度，而且足夠長的時間肯定讓衛(wèi)星徹底干燥。再加上太陽的光照，類地衛(wèi)星上的水蒸發(fā)周期可以持續(xù)5億年。對于超級蓋尼米德來說，是6億年。

將假設(shè)的衛(wèi)星與宿主的距離拉大到15倍木星半徑，情況仍然沒有什么改善；2億多年的衛(wèi)星溫室效應(yīng)仍然會發(fā)生。在20倍木星半徑的地方，類地衛(wèi)星沒有受到失控的溫室效應(yīng)的影響，但超級蓋尼米德仍然在數(shù)億年的時間里遭受著失控的加熱。

“來自超級木星宿主行星的熱輻照顯然可以對其衛(wèi)星的宜居性產(chǎn)生重大影響，”海勒說。“根據(jù)行星的質(zhì)量和它的光度歷史，今天發(fā)現(xiàn)的任何外行星都需要有足夠?qū)挼能壍?，以避免在遙遠的過去發(fā)生干燥?！?/p>

這些發(fā)現(xiàn)在某種程度上是保守的，因為其他熱源可能足以影響天平。這方面的例子包括新衛(wèi)星在形成過程中因摩擦力和壓力而產(chǎn)生的潛熱。此外，即使在溫度上升到足以啟動失控的溫室效應(yīng)之前，生命可能也會發(fā)現(xiàn)它們很難開始活動——因為地面可能太熱了。

然而，對于一個干旱的衛(wèi)星來說，它帶來生命的機會可能不會永遠失去。由于引力的擾動，它可能會遷移到宜居邊緣之外。一旦到了那里，離開了死亡地帶，在失控的溫室效應(yīng)減弱之后，冰彗星對它的沖擊可以帶來大量的水。同樣，人們認為，在地球熔化的外表冷卻成硬殼之后的幾百萬年里，彗星的撞擊也曾使地球遭受水的侵襲，從而形成了地球上允許生命存在的海洋。

因此，海勒最新研究的總體信息是，類地系外衛(wèi)星的過去不容忽視。當這些世界被確定時，有必要對它們進行軌道模擬，以嘗試收集它們的歷史。軌道演化模型將很復(fù)雜，考慮到行星和衛(wèi)星之間的潮汐效應(yīng)，以及衛(wèi)星、其他衛(wèi)星、行星和恒星之間的引力擾動。結(jié)合行星形成和冷卻模型，天體生物學(xué)家有望更好地估計系外衛(wèi)星當前的宜居性。

海勒說：“重要的是我們要盡最大努力深入研究系外衛(wèi)星的過去，以便更好地了解它是否可能支持外星生命?！?/p>

關(guān)于作者

基思·考因（Keith Cowing）是美國天體生物學(xué)家，曾任NASA員工，是美國太空計劃博客NASA Watch的編輯。他是NASA的資深記者，并以批評NASA的活動和政策而聞名。