【外星生命1】尋找第二個地球，甚麼才算是可居住行星？

抬頭看夜空，閃閃發光的是恆星，不是行星。行星本身不發光，只會反射光，所以在浩瀚星海裡找「不發光」的東西，難度就像在街燈下找一粒灰塵。但要回答「宇宙裏還有沒有像地球一樣適合生命的地方？」我們不需要立即找到外星人，只要先學會：怎樣發現遙遠的行星？什麼是「可居住」？地球為何剛剛好？

這篇文章會用幾個貼地的物理概念，帶你一步一步拆解：行星怎樣被找到、什麼叫宜居帶、為什麼溫室效應既可以救命也可以致命，最後看看經典的 Kepler 任務如何把「第二個地球」從科幻變成有數得計的科學問題。

怎樣找到不發光的行星：兩個主力方法

肉眼看不到行星，我們靠的是「間接證據」。好像你不進餐廳，也能從門口排隊長度猜到裡面「有人」。行星也是這樣被「間接看見」。

方法一：恆星被輕輕扯動（擾動／擺動）。行星雖小，總有引力拉住恆星，令恆星不是死定在原位，而是輕微地「搖一搖」。就像成年人拖住小朋友旋轉，成年人也會被帶動幾步。早期天文學家便用這種擾動，從天王星軌道的異常推斷到海王星的存在；之後亦曾以類似思路找冥王星。今天我們觀測恆星亮光的光譜，量度裡面吸收線的紅移藍移（像火車汽笛經過時音調變高變低的多普勒效果），便能讀出恆星是否被看不見的行星牽引。擺動的週期和幅度，可以推斷行星的質量和軌道距離。不過這訊號超級微弱，特別是行星輕、系統遠時更難捉到。

方法二：微型日蝕（凌日法）。想像香港的霓虹招牌前偶然有巴士駛過，光會暗一暗。若有行星從我們和恆星之間掠過，恆星亮度會輕微下跌一個固定比例，然後回升，像一個小小的「日蝕」。我們熟悉的日蝕是月亮擋住太陽；而「水星凌日」「金星凌日」也是同一原理，只是暗得多，要靠儀器才量到。對遙遠恆星亦一樣：每當行星準時掠過，儀器便記錄到一次「亮度小凹位」。累積幾次，我們就知道其週期；用週期和中央恆星的質量，可算出軌道距離；亮度下降的深度則對應行星大小。這就是 Kepler 太空望遠鏡大規模尋找系外行星的核心方法。

小提醒：要出現凌日，軌道平面要剛好和我們視線對齊，所以就算宇宙行星多的是，我們只看得到一小部分會凌日的系統。這是統計時必須校正的「幾何偏差」。

從光讀出「行星的身分證」

一條條光度隨時間的曲線（光變曲線），已經能告訴我們很多事：

• 大小：亮度下降的百分比約等於行星面積佔恆星面積的比例，故能估算行星半徑。
• 軌道：凹位之間的間距就是公轉週期；配合萬有引力定律，可換算軌道半徑。
• 可能的大氣：當行星凌日時，少量恆星光會穿過其大氣。不同氣體會在不同顏色的光上「咬走」一小口，形成特徵吸收。若儀器夠靈敏，我們可推斷是否有大氣，以及大氣裡可能有水蒸氣、二氧化碳或甲烷等。

這些資訊合起來，讓我們由「有人經過招牌前」進一步推測「是成年人還是小朋友、走路速度快還是慢、是否穿著雨衣（有大氣）」。

什麼叫「可居住」：宜居帶與熱平衡

簡單說，「可居住」首先不是問有沒有氧氣，而是問「液態水能否長期存在」。液態水要靠適中的溫度，這由三件事主宰：

• 距離與日照：距離恆星越遠，接收能量越少（光強度隨距離平方衰減）。圍著恆星有一圈「不太熱、不太冷」的區域，稱作「宜居帶」。
• 反照率：表面和雲層把多少光反射回太空。白色多，地表吸熱少，會更冷。
• 溫室效應：大氣中的二氧化碳、水蒸氣等像「保溫套」，讓地表輻射的熱留在身邊。太弱像在冬天穿短袖，太強則變成「蒸爐」。

物理背後是一條能量收支的帳：吸收多少、散走多少，兩者達到平衡，就有較穩定的平均溫度。這就像你煲湯：火力（入熱）與散熱（鍋面和空氣）平衡時，湯維持在某個溫度不再狂滾。行星亦然。

所以溫室效應不是原罪。地球正是靠「適量」溫室效應才不至於結冰；但若像金星那樣過度，海洋會蒸發殆盡，形成「失控溫室」。相反像火星，大氣太稀薄，保溫不住，水難長期停留在液態。

地球為何剛剛好

以教學角度來看，地球的「剛剛好」至少包括：

• 恆星穩定：太陽長期輸出穩定，不會頻繁爆發讓環境大起大落。
• 距離適中：位於太陽的宜居帶，接收的平均能量合適。
• 適量大氣與溫室效應：足夠保溫，同時不至於失控。
• 自轉與磁場：快速自轉與磁場幫助偏轉高能粒子，守護大氣。
• 可能的地質循環：如板塊運動和碳循環，長期調控二氧化碳濃度，讓溫度不致飄忽。

這些條件讓液態水能夠長住，生命才有時間慢慢演化。

兩顆經典候選：Kepler-186f 與 Kepler-452b

Kepler 任務用凌日法同時監測十多萬顆恆星，把「小小的亮度凹位」變成大數據。兩個經常被提起的例子：

• Kepler-186f：半徑約為地球的1.1倍，繞一顆偏暗的紅矮星公轉，週期約130天，被認為位於其宜居帶邊緣。恆星較暗意味著宜居帶靠得更近，但也可能面對潮汐鎖定、恆星活躍度高等挑戰。
• Kepler-452b：半徑約1.6倍地球，公轉週期約385天，圍繞類太陽恆星，距離與接收能量與地球相近，被暱稱為「地球表親」。但它可能更重，表面重力大，是否有大氣與海洋仍未知。

它們並不是「證實有生命」，而是「在第一關（大小、距離、入熱）過檢」，值得用更進一步的望遠鏡追蹤其大氣與表面環境。

我們能估計「可居住」行星有多少嗎？

統計學登場。把 Kepler 監測到的凌日事件，校正幾何對齊機率、儀器靈敏度與假陽性（例如雙星相食、星斑），可估算「每種恆星附近，宜居帶內地球大小行星出現的比率」（天文學稱作 η⊕）。不同研究得到的數字略有差異，但大方向一致：在銀河系的數千億顆恆星中，潛在可居住的行星可能以十億量級計。換言之，就算我們只看得到很少「剛好對齊」的凌日，經過糾正後，天上一定還隱藏著更多。

常見誤解與限制

• 在宜居帶不代表一定宜居。溫室效應太強或太弱、沒有磁場、恆星過於活躍，都可能把表面環境推離「舒適圈」。
• 凌日只是第一步。真要談生命迹象，還要量度大氣成分（例如同時出現氧氣與甲烷）、雲層、表面是否有液態水的信號。
• 我們看的是時間切片。行星氣候可能千萬年內大起大落，今天的宜居不保證明天仍然宜居。

把抽象變生活：三個易懂比喻

• 凌日＝巴士遮招牌：光暗一暗，便知有物件掠過；重複發生且時間固定，代表它在「繞圈」。
• 恆星擺動＝拖小朋友轉圈：大人也會被扯動幾步；由擺動幅度可估計「小朋友」多大力（行星質量）。
• 溫室效應＝保溫杯：杯套太薄，湯很快涼；太厚，會變得燙口難受。關鍵是「剛剛好」。

重點整理（教學版）

• 行星探測主流依兩法：恆星擺動（引力牽引，多普勒光譜）與凌日（亮度微降）。
• 由光變曲線可推算行星大小、週期與軌道距離；凌日時的光譜可窺探大氣成分。
• 「可居住」首先意味液態水可長期存在，取決於入熱、反照率與溫室效應的能量平衡。
• 地球的成功在於：恆星穩定、距離適中、有「剛好」的大氣與可能的長期氣候調節。
• Kepler 將凌日變成大數據，顯示銀河系內或有大量潛在可居住行星，但「在圈內」不等於「住得人」。

結語：抬頭時，多想一步物理

從一次亮度的細微下跌，到推算出一顆行星的大小、軌道，再到評估它能否保住一片海洋，背後其實只是幾條樸素的物理律和耐心的長期觀測。下次你看到新聞說「又發現一顆地球表親」，不妨問三條題：它怎樣被發現（凌日還是擺動）？大小與軌道在哪個範圍（宜居帶內嗎）？有沒有大氣的蛛絲馬跡（溫室效應可能幾多）？這些問題，會把浪漫的星空和腳下的物理連在一起，也帶我們更靠近那個古老的好奇：我們在宇宙裡，是不是孤單？