我们在宇宙中是独一无二的吗?


地球与开普勒 452b (艺术想象画) 图源: NASA
当我们抬头仰望漫天星辰,相信很多人心里可能会一个疑问:我们在宇宙中是独一无二的吗?地球之外,还有没有存在生命的星球?从科学角度看,宇宙有上千亿个星系,每个星系又有上千亿颗恒星。如此庞大的基数下,即使生命诞生的概率很低,地外生命存在的可能性也仍然存在!
天文学中,宜居带是探索地外生命的关键词,也是天文学家持续观测和研究的重要领域。目前我们尚未找到地外生命的确凿证据,地球仍是已知唯一存在生命的星球。正因如此,寻找“第二个地球”成为天文学家最前沿的科学目标和研究领域之一!我们首先在浩瀚宇宙中寻找宜居带,然后在宜居带中寻找地球的“孪生兄弟”。
在开启“行走的天文馆”XR沉浸式探索之前,有几个小任务要布置给大家,请大家在体验过程中,带着这些问题去观察并寻找答案。
1、什么是宜居行星?
2、影响行星宜居的关键因素有哪些?
3、什么是宜居带?不同类型恒星的宜居带的位置和范围一样吗?


初识宜居带
宜居行星就是适宜生命生存的行星。影响行星是否宜居的主要因素包括恒星的质量、行星与恒星之间的距离,还有行星自身的环境,比如大气、磁场,温度、质量等。宜居带就是 在 母恒星周围适合于宜居行星存在的特定区域,这个区域的主要特点就是能让行星表面维持液态水的稳定存在 ,距离恒星太近会导致水分蒸发,太远则会使水冻结 。 因母 恒星的质量不同, 恒星的热辐射范围也不同,对应 宜居带的范围差异很大。比如质量大的恒星, 热辐射范围广, 宜居带会离它更远;而质量小的恒星, 相比之下热辐射范围小, 宜居带 则 会更靠近它。
太阳系的宜居带

宜居带示意图 图源: NASA
既然宜居带是生命的 “ 家园 ” ,首先来看看我们生活的太阳系,它的宜居带在哪里?大家看太阳系行星分布图,从近到远依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。而太阳周围的区域按温度可以清晰划分出三个部分:过热区、宜居带、过冷区。
水星和金星离太阳太近,属于过热区,表面温度极高,根本无法维持液态水;木星、土星、天王星、海王星这些气态巨行星离太阳过远,属于过冷区,常年冰冻;而火星处于宜居带的边缘,地球恰好位于太阳系宜居带的中心附近,这也是地球能诞生生命并延续生命,成为太阳系 “ 幸运儿 ” 的重要原因。

太阳系宜居带示意图 图源: NASA
地球又具备了哪些适合生命生存的条件呢?我们知道地球拥有液态水、适宜的温度、充足的氧气、适中的质量能保留大气、稳定的磁场能抵御宇宙辐射,还有固态的表面,这些条件叠加在一起,才让地球成为了生命的摇篮。
了解过宜居行星的特点,我们自然会好奇:宇宙中还有没有像地球一样处在恒星宜居带内的行星?天文学家把目光聚焦到了太阳系之外的行星。
为什么要寻找系外行星
存在于太阳系之外的行星统称为系外行星。 1995 年,天文学家首次发现了围绕类太阳恒星运行的系外行星 —— 飞马座 51b ,这一发现拉开了系外行星探索的序幕。飞马座 51b 的质量约为木星的一半,半径约为木星的 1.3 倍,公转周期仅 4.2 天。它的母恒星飞马座 51 是一颗 G2 型主序星,和太阳类似。遗憾的是飞马座 51b 距离母恒星太近,表面温度很高并不是宜居行星。

飞马座 51b (艺术想象画)与木星 图源: NASA
截至 2026 年年初,天文学家已经发现了六千多颗系外行星,其中约 50 颗处于母恒星的宜居带内,虽然我们还没有在这些行星上发现生命,但每发现一颗系外行星,都让我们离 “ 找到第二个地球 ” 的目标更近一步。
为什么天文学家执着于寻找这些遥远的星球?主要有三大原因:一、解答生命之谜:何种的行星可能是地外生命的摇篮;二、理解行星系统形成:太阳系是宇宙常态还是特例?三、探索人类未来的栖身之所:寻找潜在的可移居星球。终极目标就是找到一颗适宜人类居住的星球,拥有液态水和大气的岩质行星——被喻为“第二个地球”!”
发现地球2.0

开普勒 452b 艺术想象画 图源: NASA
而在众多系外行星中,有一颗行星被称为地球的 “ 孪生兄弟 ” ,它就是开普勒 452b 。它距离母恒星 1.04 个天文单位,恰好落在类太阳恒星的宜居带内,公转周期为 384 天,半径是地球的 1.6 倍,质量大约是地球的 3 至 5 倍,是人类首个在类太阳恒星宜居带中发现的、接近地球大小的行星,也是目前最有可能存在液态水的系外行星之一。液态水是生命诞生和演化的基础:它是生命细胞的重要组成部分,没有液态水,就没有生命的基本形态;它的流动性和溶解性,能为生命活动提供物质运输和化学反应的环境;同时,液态水的比热容很大,能调节行星表面的温度,让温度保持稳定,为生命演化创造条件。判断一颗行星是否处于宜居带的重要标准是什么呢?可能有人会说 “ 有大气 ” ,其实是行星表面能维持液态水的稳定存在。
不一样的宜居带
在宇宙中有千千万万颗恒星,它们的宜居带又是什么样的?天文学家根据恒星的温度、质量,把恒星分为不同类型,今天我们重点了解三类恒星: O 型恒星、 G 型恒星(类似太阳)、 M 型恒星(红矮星)。 O 型恒星是 “ 高温大个子 ” ,表面温度能达到 30000℃ ,辐射能量极强,所以它的宜居带离它很远。 G 型恒星是 “ 温和中等星 ” ,像太阳这样的恒星,表面温度约 5500℃ ,宜居带范围距离恒星适中,大约在 0.8-1.5 个天文单位之间,也是最适合生命演化的宜居带类型; M 型恒星是 “ 低温小个子 ” ,表面温度只有约三千多摄氏度,辐射能量弱,宜居带会非常靠近它。恒星的质量越大、表面温度越高,它的宜居带就越远离恒星;反之,恒星质量越小、温度越低,宜居带就越靠近恒星。所以天文学家们寻找宜居行星,其实就是在宜居带中寻找 “ 有液态水 ” 的行星,这也是我们探索地外生命的重要线索。

不同恒星的宜居带示意图 图源: NASA
创作“宜居带”
今天,我们一起探索了宇宙中的生命摇篮——宜居带,也认识了遥远的系外行星。寻找宜居带不仅是为了寻找地外生命,更是在探索生命的起源和宇宙的奥秘。
接下来,就到了动手环节,让我们一起来亲手创作“宜居带”吧!
本系列课程是上海市浦东新区科技与经济委员会资助项目【 “行走的天文馆”配套系列科普课件开发与推广/KPZ2025-02】成果,点击下方合集“行走的天文馆配套科普课程",可查看所有课程。
下期预告:嫦娥五号
作者:陆琦(天文馆展教中心)
视频剪辑:王国鑫 (天文馆展教中心)
科学审核:杜芝茂(上海科技馆天文研究中心)
编辑:凯莉
图源:已在文中标注


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