地球是一个“金凤花”式的家园：不太热，也不太冷。这里的一切都恰到好处。我们有一个坚实的岩石站立，有液态水维持生命，有大气层保护我们免受辐射。我们舒适的行星恰好位于距离太阳恰当的距离，在天文学家称为宜居带的区域。但这还不是全部。从更大的尺度来看，我们生活在一个不年轻也不太老的星系中。在大爆炸后的最初几十亿年里，宇宙中只有氢和氦——没有任何东西可以构成类地行星。第一代恒星的诞生耗时锻造了氧、铁和铀等较重的元素，这些元素可能为地球翻腾的熔融内核提供能量。到 45 亿年前我们的太阳形成时，已经有足够的行星制造材料。但宇宙正在老化，天文学家预测它将耗尽放射性铀、钾和钍，后来形成的行星将像月球一样死去。在我们这个恰到好处的星系中，我们也生活在一个恰到好处的位置，距离中心大约一半——不太近，也不太远。在银河系的核心，恒星紧密地挤在一起，几乎相互碰撞，星际辐射将使生命——或者至少是我们所知的复杂生命——变得不可能。在星系的边缘，没有足够的恒星来产生构成类地行星所需的重元素。在那里，你可能会得到一个像水星一样的岩石行星，大小约为地球的二十分之一，但它的引力太弱，无法 удержи住大气层。在我们这个太阳系中，在一个恰到好处的恒星周围的恰到好处的位置，我们这个“金凤花”行星在近乎完美的圆形轨道上绕太阳运行，始终距离火焰 9300 万英里。几十年来，天文学家一直认为这样的轨道对宜居性至关重要。在一端会过于靠近太阳，而在另一端会飘入寒冷的太空。如果椭圆轨道会阻止生命，那么这意味着搜寻类地行星的天文学家可供选择的候选者就更少了。这也意味着地球很脆弱。如果一颗流浪恒星或一个流浪黑洞扰乱了木星的轨道，进而改变了地球的轨道——这是一个极其不可能发生的事件，但天文学家估计银河系中有 1000 万个流浪黑洞——地球上所有生命都将被摧毁。或者也许不会。天文学家 Darren Williams 和他在宾夕法尼亚州伊利分校的同事最近一直在研究椭圆轨道，他们认为地球生命可以承受比科学家之前猜测的更多的动荡。他们一直在对围绕各种大小的太阳运行不同偏心率轨道的行星进行复杂的计算机建模。“高偏心率不会关键性地损害行星的宜居性，”Williams 说。然后他放下天体生物学术语，微笑着解释道：“这些行星仍然会支持生命。”
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地球轨道（上面的红线）是一个近乎完美的圆。但如果行星走一条更偏心的路径呢？天文学家 Darren Williams 进行了各种轨道的计算机模拟。在一个最温和的轨道上，行星离太阳的距离比金星还近，然后飘到火星寒冷的边缘。在最极端的轨道上（深蓝色线），地球比水星更靠近太阳，然后飞到小行星带附近。在每种情况下，根据温度平均值，行星都是宜居的。
Williams 脸上带着酒窝，长相英俊，穿着朴素的领口衬衫，看起来像个会画出圆圈的人。他的导师、著名地球科学家 Jim Kasting 最早定义了“宜居带”，即行星可以支持生命的区域。这个想法自 20 世纪 60 年代以来就一直在流传，但在 20 世纪 90 年代初，Kasting 使用计算机模型确定了宜居带的精确尺寸：距离恒星 7900 万到 1.4 亿英里之间（对于更热的恒星，距离更远；对于更冷的恒星，距离更近）。他认为，在这个狭窄的路径之外，行星会过热或冻结。那时，天文学家只知道轨道相当圆的行星。但当 1995 年发现第一批系外行星时，其中一些行星的轨道是高度椭圆的。Williams 决定看看生命在这种未知领域的情况如何——以及他的导师的公式是否仍然成立。他与宾夕法尼亚州立大学的同事 David Pollard 合作，Pollard 是一位古气候学家，他开发了一个受尊敬的计算机模型，用于研究地球古代气候。这个模型被称为 GENESIS2，由 70,000 行计算机代码组成，模仿地球的大气、海洋、冰盖以及其他许多因素，包括其轨道的形状。要将地球推入椭圆轨道，Pollard 所要做的就是输入一个新的数字。如果轨道是完美的圆形，模型中它的偏心率为 0；直线偏心率为 1。地球的轨道非常接近前者——0.0167。Pollard 和 Williams 决定将其拉向另一个极端。他们运行了偏心率为 0.1、0.3、0.4 和 0.7 的模型。在每种情况下，他们都保持轨道平均距离不变：地球仍然需要 365 天绕太阳一周。他们让每个模拟运行 30 个理论年，然后查看在新的勇敢轨道中地球的气候是怎样的。偏心率最低的轨道——0.1——全年将行星保持在宜居带内；不出所料，气候几乎没有变化。然而，在更高的偏心率下，事情变得有趣起来。正如天文学家 Johannes Kepler 在 1609 年解释的那样，行星路径越椭圆，它在轨道一端的近日点离太阳就越近，在另一端的远日点就离太阳越远。在偏心率为 0.3 的情况下，行星轨道在近日点将穿过金星的轨道路径，在远日点飞到离火星 2000 万英里的范围内。然而，在 Pollard 的模型中，即使地球比金星更靠近太阳，它也没有发展出像金星那样的气候。“水的比热容很高，”Williams 说，“所以地球上大量的水需要很长时间才能升温。”而且热量不会持续太久。正如 Kepler 所解释的那样，在偏心轨道上的行星在近日点运行速度最快，飞速加速。“在海洋开始沸腾之前很久，”Williams 说，“行星就已经在飞速远离了。”在偏心轨道的另一端，地球又慢了下来。但在这里，气候模型出现了一个奇怪而受欢迎的转折。Williams 解释说，行星在绕太阳的短暂旅程中吸收了如此多的热量，以至于它在火星外最冷的月份仍然比圆形轨道上冬天的月份温暖：平均全球温度为 73 华氏度，而现在地球上是 58 华氏度。它不是一个完美的调节系统：在近日点，非洲、南美洲和澳大利亚内陆的一些地区会升温到 140 度。但极端温度只持续一两个月。Williams 居住的宾夕法尼亚州伊利市，在 0.3 轨道上的气候与圆形轨道上一样温和舒适。在 0.4 轨道上，年平均气温跃升至 86 度，较大的陆地变得无法忍受的热。但 Williams 说，同样，“这是一个宜居行星。”
在区域内
在任何尺度上，地球都稳居行星舒适区——即恒星能够产生具有适宜生命条件的适宜行星的空间和时间的狭窄范围。大多数科学家同意，以下标准适用于高等生命形式。单细胞生物的适应性极强，可能能够在更恶劣的气候中生存。
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当地分区法规恒星周围的宜居带由行星表面水保持液态的距离定义。在我们的太阳系中，该区域的内界恰好在金星轨道之外；其外缘靠近火星。这颗红色行星是否在宜居带内仍有争议。
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银河分区法规在银河系核心附近及其旋臂中，恒星密度如此之大，它们可能会释放过多的辐射并引起过多的扰动引力碰撞，从而不利于生命。离中心太远的恒星可能含有太少的金属，无法形成足够大的行星来 удержи住大气层。太阳恰好位于这两者之间。
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宇宙分区法规在最大的尺度上，生命比空间更依赖于时间。大爆炸后不久，只有氦和氢存在。重元素形成生命支持行星所需的重元素耗时 60 亿年。从现在起几亿年后，其中一些元素——例如铀 235——将开始耗尽。
最后的模拟展示了生命的边界可以被推到多远。这次，Williams 将行星推入偏心率为 0.7 的轨道，使其在近日点比水星更靠近太阳，在远日点远超火星。总而言之，它一年中只有 75 天在宜居带内。这样的世界可能宜居吗？嗯，是的，但只有在你稍微作弊的情况下。在运行模拟之前，Pollard 和 Williams 将太阳的亮度降低了 29%。他们当时知道，偏心轨道上的行星比圆形轨道上的行星更热，即使它们与太阳的平均距离相同。扩大偏心轨道会使行星更宜居，但 GENESIS2 模型有一个硬编码的 365 天年。所以研究人员采取了另一种方法：他们将太阳调暗，使其接收到的总热量与我们的地球相同。这样，气候的变化就可以归因于高度偏心的轨道。即使太阳光变暗，0.7 轨道上的生命也不 exactly 是我们所说的舒适。在宾夕法尼亚州伊利市，夏季气温飙升至 140 华氏度，太阳在天空中看起来是两倍大。好几个月不下雨，蒸发率很高，以至于伊利湖完全干涸。六个月后，在火星轨道以外的寒冷冬天，太阳在天空中缩小到原来的一半。海洋在夏天储存了大量的热量，所以温度仍然保持在冰点以上。“伊利市从不下雪——这里的人们对此会非常高兴，”Williams 说。“但我们必须随着如此高的夏季温度迁移。”最有可能的是，我们不会回来。在 0.7 轨道上，北冰洋会融化，Pollard 说，“它海岸边的任何地方——比如挪威——都会是一个不错的生活场所。”相比之下，夏季的非洲中部就像一个炉灶，温度接近沸点——如果还有水可烧的话。Williams 说，高等生命形式可能无法在那里生存。但微生物已被证明可以承受 230 度的高温，而在这个巨变地球的任何地方都不会达到那么高的温度。海洋变得更热，但还没有热到沸腾。生命在这个地球上无疑是不同的——但它仍然是生命。
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强偏心在地球熟悉的圆形轨道上，季节由行星的倾斜轴决定。当北半球倾向太阳时，那里是夏天；当它远离太阳时，那里是冬天。在偏心轨道上，与太阳的距离至关重要。下图显示了如果地球轨道具有温和的 0.3 偏心率（顶部）或高度偏心的 0.7 偏心率（底部），一年中全球温度如何变化。请注意，陆地温度的变化比海洋温度变化要剧烈得多。海洋充当巨大的行星温度调节器：它们在轨道的太阳端吸收大量的热量，然后随着行星滑入寒冷太空而缓慢释放。在温和的偏心轨道上，行星在二月最接近太阳，但在接下来的几周内，海洋继续吸收热量。最热的月份是三月和四月，非洲的温度超过 120 华氏度。冬季最低温度出现在八月和九月，当时行星向火星方向滑动。然而，即使是北极也从未冷却到 32 度以下，因为海洋仍在释放储存的热量。在高度偏心的轨道上，距离和温度的波动更为极端。在这里，行星在三月初最接近太阳，使赤道附近的陆地温度达到沸点。这些热量被海洋和大气层保留，使大部分行星在它冲向小行星带之前都处于闷热状态。在这种情况下，北冰洋会融化，提供优质的海滨房地产。
“底线是这个行星是宜居的，”Williams 充满笑容地说。就连他的导师 Kasting 也同意：“行星宜居性并不难实现。”稍微调整一下行星，生命的可能就更好了。例如，更大的海洋，或者像金星那样厚实的绝缘大气层，将有助于缓解偏心轨道上的温度极端。我们可能已经注意到了一些这样的岩石。在过去的七年里，通过一种称为视向速度的方法，已经探测到了 100 多个系外行星。天文学家实际上看不到这些行星，只能看到行星绕轨道运行的恒星发出的指示性抖动。但抖动的幅度与时间可以揭示行星的大小以及其轨道的形状。一颗名为 16 Cygni B 的恒星，拥有一颗偏心率为 0.67 的行星；另一颗恒星 HD222582，拥有一颗偏心率为 0.71 的行星。这两颗恒星都比我们的太阳亮，但它们的行星轨道比地球宽，所以它们直接穿过宜居带。这些行星是气态巨行星，像木星一样，因此不太可能孕育生命。但根据 Williams 的气候计算，如果它们拥有大型岩石卫星，这些卫星可能是宜居的。Kasting 在此发出警告：“如果这些卫星存在，将很难探测到它们，”他说，并且处于偏心轨道上的行星的总数可能很小。拥有椭圆轨道的太阳系通常比拥有圆形轨道的系统更不稳定：它们的行星可能会相互交叉并碰撞。Kasting 怀疑，当天文学家在探测行星方面做得更好时，他们会发现很多地球，它们在宜居带内运行着圆形轨道。尽管如此，他说，Williams 的工作是“让我们更有理由感到乐观”，我们能够找到另一个地球——即使它有点偏心。
