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潮汐锁定星球的“中间地带”有产生生命的可能性

潮汐锁定的星球非常特殊,一侧永远是白天,另一侧永远是夜晚。然而,科学家最新研究称,这样的星球可能具备孕育生命的条件。

浩瀚宇宙非常奇特,对于一些星球,会看到“太阳”永远不会升起或者落下,如果一颗行星绕轴旋转一次所需时间与绕主恒星公转一周的时间相同,那么站在该行星表面就会看到主恒星始终静止不动,这样的行星仅有一侧朝向主恒星,该情况叫做“潮汐锁定”。

潮汐锁定行星是“双面世界”,一侧总是白天,而另一侧是永恒的夜晚。两侧之间边界是永久微明的细环区域,这里的“太阳”可能持续升起,也可能持续不升起,但该区域光亮微明,比永恒的黑夜更亮一些。太阳系许多星球都处于潮汐锁定状态,其中包括:月球,其他太阳系中环绕主恒星运行的系外行星也可能是潮汐锁定。

艺术家描绘的系外行星犹如一颗巨大的眼球,行星光亮一侧是液态海洋,黑暗一侧覆盖着冰冷外壳 副本

艺术家描绘的系外行星犹如一颗巨大的眼球,行星光亮一侧是液态海洋,黑暗一侧覆盖着冰冷外壳

多数潮汐锁定行星不适宜居住,一侧被主恒星烘烤,另一侧处于冰冻之中。天文学家对此类行星非常好奇,他们像科幻小说爱好者一样,一直思考此类行星是否可以孕育生命。目前,复杂的计算机模型和最新数据正在揭示这些潮汐锁定星球的大气层,这些研究将进一步证实——可能一些星球适宜生命存活。

英国牛津大学物理学家雷蒙德·皮尔霍姆博特说:“潮汐锁定没有什么特别糟糕的,永恒白天的区域是非常好的栖息地,可以孕育许多生物。”

旋转变慢

最邻近的潮汐锁定星球只需观测月球即可,我们的月球与地球保持潮汐锁定状态,受地球引力干扰作用,数百万年的时间里月球旋转速度已变慢。就像月球引力对地球海洋的作用,产生海洋潮汐,恒星引力对环绕的岩石行星产生影响,形成岩石隆起区域。

一颗行星潮汐锁定在它的主恒星

一颗行星潮汐锁定在它的主恒星示意图

如果一颗行星自转速度比它环绕恒星的速度快或者慢,那么行星隆起部分就会稍微偏离中心。随着时间的推移,恒星引力对偏离中心的隆起部分的拖曳作用将逐渐减缓或者加速行星自转,直到它们达到平衡:行星每环绕恒星旋转一次,恰好环绕轴心自转一次。

这种潮汐效应在距离它们轨道非常近的行星上最为明显,这就是为什么月球潮汐锁定在地球,而地球却没有潮汐锁定在太阳。

冥王星和冥卫一也是潮汐锁定星球,两颗星球一侧始终朝向彼此,它们轨道非常邻近,体积大小也非常接近,以至于潮汐力导致它们自转同步。

冥王星和冥卫一处于潮汐锁定状态

冥王星和冥卫一处于潮汐锁定状态

美国麻省理工学院行星科学家丹尼尔·科尔称,尽管天文学家掌握潮汐锁定星球的确切数量,但“基本预期”是,许多系外行星以该方式与它们的恒星彼此相连。

多数潮汐锁定星球都是“与众不同”的,一侧被高温烘烤,另一侧被冰冻。以大型岩石行星55 Cancri e为例,它每隔18小时环绕类太阳G型恒星运行一周。

在近期发表的《流体力学年鉴》中,皮尔霍姆博特描述了潮汐锁定星球的大气层,他说:“它太热了,在‘白昼一侧’会形成永久岩浆海洋,岩石蒸汽将蒸发到大气层中,然后在靠近‘黑夜一侧’附近区域凝结,因此该星球的雨水是由一氧化硅等物质构成。”

空气和水

在上个世纪,天文学家错误地认为金星可能处于潮汐锁定状态,1903年,一份研究报告指出,在两个永远仅有白昼和黑夜的独立区域之间,肯定存在一片广阔的玫瑰色朦胧地带,这里的气候条件可能非常适合智慧生物存在。

美国芝加哥大学地球物理学家多里安·阿博特说:“科幻小说曾出现过‘过渡带’宜居性的乐观看法,小说中描述潮汐锁定行星的光明面和黑暗面之间的区域足够温暖,可让水以液态形式存在,或许还能让生命存活下来。”

研究人员对以上理论提出了质疑,天文学家称之为“终结者”的过渡带对于需要阳光生存的生物体而言是非常贫瘠的,但如果保持适当的大气层,可能就不需要一个过渡带来支持生命。

大气层将热量输送到行星周围,为液态水(或许还有生命)的广泛传播创造了条件,阿博特称,液态水或者地外生命不仅在“终结者”过渡带,它们将到处都是。

这里有一个宜居平衡点:大气层密度必须足够大,才能输送热量,但又不能密度大到让人窒息。相反,如果黑暗的一侧变得太冷,它可能会冻结空气,占据整个大气层。

从地球上空拍摄的黄昏,呈现从白天到夜晚的逐渐过渡

从地球上空拍摄的黄昏,呈现从白天到夜晚的逐渐过渡

2016年,阿博特和科尔设计一项模拟实验表明,正确的宜居平衡点是可以实现的:一些潮汐锁定的系外行星可以保持“恰好合适”的大气层,这些大气层可以有效地将热量转移,甚至使黑暗一侧保持温暖。

科尔说:“这是很奇怪的,虽然这将是永久黑夜,但仍可能存在类似地球的生命宜居条件,以地球两极为例,那里虽然阳光稀少,但不乏生命存在,地球两极的气温不会极度寒冷,很大程度上是因为风或者洋流运动重新分配了热量。”

在地球上,海洋对于全球热量循环扮演着关键角色:水比空气更能储存热能,而且能更有效地将热能传递出去。因此,海洋和大气层对于潮汐锁定系外行星的昼夜两侧恒温效果发挥着重要作用。

哈佛大学研究系外行星大气层的研究员冯丁说:“海洋会蒸发,促使大气云层形成,而云层在调节行星环境方面也发挥着重要作用,当水蒸汽不断聚集形成云层,可作为一种反射毯,将入射的恒星辐射反射回来,有助于行星冷却。”

一些计算机模拟表明,云层可使温度保持在足够低的水平,促使系外行星形成海洋,否则这些星球表面会非常炽热高温,同时云层可以形成降雨。在行星的白昼一侧,在阳光最强烈的区域产生较强上升气流,会将温暖潮湿的空气向上移动,最终形成暴雨。

陆地和生命?

降雨可以帮助调节潮汐锁定系外行星的温度,尤其是有陆地的星球,在地球上,雨水与裸露的岩石发生反应,以矿物的形式捕获一些碳,并将其从大气层中带走,这有助于地球降温。皮尔霍姆博特说:“随着时间的推移,这种化学风化作用可使潮汐锁定行星的二氧化碳水平处于可控范围。”

他推测,其他大气气体也可使系外行星更适宜居住。例如:氮气可将水分困在大气较低位置,从而有助于防止水分流失。在大气层中,氮气暴露在较少的紫外线下,而紫外线会将水蒸汽分解为氧和氢,含氮大气层将有助于维持液态海洋,对全球温度调控具有关键作用。

科学家可以将这些变量输入计算机模拟系统,但许多系外行星大气研究都是推测性结论,潮汐锁定天体的研究也不例外。首先,能够证明所有这些变量真实性的数据很少。科尔说:“大多数系外行星的大气天文学一直局限于那些看起来不太像地球的行星,它们的体积更大,经常被密集大气层所覆盖,例如:海王星和天王星。”

呈现一颗系外行星环绕红矮星TRAPPIST-1运行,天文学家认为,TRAPPIST-1系统中有7颗行星,它们都与该恒星保持潮汐锁定。图中太空旅客抵达的是TRAPPIST-1e,这颗行星位于恒星宜居带,专家推测TRAPPIST-1e表面存在液态水。

NASA海报,一颗系外行星环绕红矮星TRAPPIST-1运行。该恒星系统有7颗行星,它们都与恒星保持潮汐锁定。太空旅客抵达的是TRAPPIST-1e,这颗行星位于恒星宜居带,专家推测TRAPPIST-1e表面存在液态水。

但是使用最新勘测仪器,例如:美国宇航局凌日系外行星调查卫星(TESS)将显著增大已探测到系外行星的数量。当2021年美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜发射时,尽管可能因为新冠疫情而推迟发射,未来科学家对该太空望远镜充满期望,它将对系外行星进行更详细的观测,包括行星大气层组成数据。

这些数据将帮助天文学家完善他们的模型设计,更好地理解任何行星适宜居住的条件,包括那些遥远的、潮汐锁定行星。有可能发现数万亿颗系外行星,其中一些星球存在能孕育生命的浅海,温暖陆地可使许多爬行生物生长和活动,密度适中的大气层可使飞行生物在空中自由飞翔。在持续存在外星太阳的永恒阳光下,生命能够世代茁壮成长。

责任编辑:张致铖

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