据国外媒体报道,这个星球在潮汐锁定中非常特殊,一边永远是白天,另一边永远是夜晚。然而,根据科学家的最新研究,这样一个星球可能具备孕育生命的条件。
浩瀚的宇宙非常奇怪。对于一些行星,我们可以看到“太阳”永远不会升起或落下。如果一颗行星绕其轴旋转所需的时间与绕主星旋转一周所需的时间相同,那么站在行星的表面上就会看到主星始终是静止的,这样的行星只有一面面对主星。这种情况被称为“潮汐锁定”。
行星潮汐锁定只能面向主星的一侧,这将影响行星的气候系统。图片中艺术家描绘的外行星就像一个巨大的眼球。这颗行星的光明面是一片液态海洋,黑暗面覆盖着一层冰冷的外壳。行星潮汐锁是一个“双面世界”,一边永远是白天,另一边是永恒的夜晚。两边的边界是一个永久微弱的薄环形区域,在这里“太阳”可能会或不会持续升起,但这个区域比永恒的夜晚更明亮。太阳系中的许多行星都处于潮汐锁定状态,包括月球。围绕太阳系主星运行的其他系外行星也可能是潮汐锁定的。
大多数潮汐闭锁行星都不适合居住,一边被主星烘烤,另一边被冻结。天文学家对这些行星非常好奇。像科幻爱好者一样,他们一直在思考这些行星是否能孕育生命。目前,复杂的计算机模型和最新数据揭示了这些潮汐锁定行星的大气。这些研究将进一步证实——可能适合生命。
英国牛津大学的物理学家雷蒙德皮霍姆博说:“潮汐锁定没有什么特别糟糕的。”永恒的白天区域是一个非常好的栖息地,可以繁殖许多生物。”
旋转变慢
最近的潮汐锁定行星只需要观察月球。我们的月亮与地球保持潮汐锁定。由于地球引力的干扰,月球的旋转速度已经减慢了数百万年。就像月球引力对地球海洋的影响一样,它产生海洋潮汐,恒星引力影响周围的岩石行星,形成岩石隆起区。
当重力减缓或加速一个天体的旋转时,它将成为潮汐锁定的母天体(在图中,一颗行星潮汐锁定在其主恒星中)。在这种情况下,绕轨道运行的天体总是与它的母天体“锁定在一边”,我们的月球被地球引力吸引。科学家推测,许多围绕恒星运行的系外行星也可能是潮汐锁定的。如果一颗行星的旋转速度比它围绕一颗恒星的旋转速度快或慢,那么这颗行星的凸出部分就会稍微偏离中心。随着时间的推移,偏离中心凸起上的恒星重力阻力将逐渐减缓或加速行星的旋转,直到它们达到平衡:每次行星绕着一颗恒星旋转,它就绕着它的轴旋转。
这种潮汐效应在非常接近其轨道的行星上最为明显,这就是为什么月球的潮汐锁定在地球上,而地球没有潮汐锁定在太阳上。
冥王星和冥王星也是潮汐锁定的行星。两颗行星的一边总是互相面对。它们的轨道如此接近,大小如此接近,以至于潮汐力使它们同步旋转。
冥王星和冥王星处于潮汐锁定状态。通常,一个绕轨道运行的天体与另一个较大的天体处于潮汐锁定状态,但冥王星和冥王星体积相近,轨道距离相近,所以它们保持潮汐锁定。麻省理工学院的行星科学家丹尼尔科尔(Daniel Cole)说,尽管天文学家知道潮汐锁定行星的确切数量,但“基本预期”是许多系外行星都是以这种方式与它们的恒星相连的。
大多数潮汐锁定行星是“不同的”,一边高温烘烤,另一边冻结。以巨大的岩石行星55 Cancri e为例,它每18小时围绕类太阳恒星运行一次。
在最近出版的《流体力学年鉴》中,Pirho Mbot描述了潮汐闭锁的大气。他说:“太热了,在‘白天’一侧会形成一个永久的岩浆海洋。岩石蒸汽会蒸发到大气中,然后在“夜晚”附近凝结。因此,地球上的雨水是由氧化硅等物质组成的。”
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,在两个独立的区域之间一定有一个广阔的玫瑰色的朦胧地带,那里总是只有白天和黑夜,这里的气候条件可能非常适合智能生物的存在。
美国芝加哥大学的地球物理学家多里安阿博特(Dorian Abbott)说:“对于科幻小说中‘过渡带’的宜居性,人们一直持乐观态度。小说中描述的星球潮汐锁定的光明面和黑暗面之间的区域足够温暖,以允许水以液体形式存在。也许它还能让生命存活下来。”
研究人员对上述理论提出了质疑。天文学家称之为“终结者”的过渡带对于需要阳光才能生存的生物来说是非常贫瘠的,但是如果大气得到适当的维护,它可能不需要过渡带来维持生命。
大气在地球周围传输热量,为液态水(或许还有生命)的广泛传播创造了条件。雅培说,液态水或外星生命不仅在终结者的过渡带,而且会无处不在。
这里有一个适宜居住的平衡点:大气密度必须足以传输热量,但又不能高到足以窒息。相反,如果黑暗面变得太冷,它可能会冻结空气并占据整个大气层。
这幅画展示了从地球上方拍摄的黄昏,展示了从白天到夜晚的逐渐过渡,吸引了人们的想象力。他们认为在系外行星的过渡带可能有外星生命,这里有一个适宜居住的大气层,这可能是系外行星最有可能有生命的区域。2016年,雅培和科尔设计了一个模拟实验,该实验表明可以实现正确的宜居平衡:一些处于潮汐锁定状态的系外行星可以保持“恰到好处”的大气层,这可以有效地传递热量,甚至保持黑暗面温暖。
科尔说:“这很奇怪。虽然这将是一个永久的夜晚,但仍可能有类似地球的宜居条件。以地球的两极为例。虽然阳光很少,但并不缺少生命。地球两极的温度不会非常低,主要是因为风或洋流重新分配热量。”
在地球上,海洋在全球热循环中起着关键作用:水比空气能储存更多的热能,并且能更有效地传递热能。因此,海洋和大气在潮汐锁定系外行星两侧的恒温效应中起着重要作用。
哈佛大学研究系的系外行星大气研究员丁峰说:“海洋会蒸发,促进大气云的形成,而云在调节行星环境方面也起着重要作用。”当水蒸气不断聚集形成云时,它可以用作反射毯。将入射的恒星辐射反射回来,帮助地球降温。”
一些计算机模拟显示,云可以保持足够低的温度,促进外行星形成海洋。否则,这些行星的表面将会非常热,云会形成降雨。在地球的白天,一股强烈的上升气流在阳光最强的区域产生,它将把温暖潮湿的空气向上移动,最终形成一场暴雨。
陆地和生命?
降雨可以帮助调节潮汐锁定中的外行星的温度,特别是那些有陆地的。在地球上,雨水与裸露的岩石发生反应,以矿物质的形式捕获一些碳,并将其从大气中带走,这有助于地球降温。Pirho Mbot说:“随着时间的推移,这种化学风化作用可以使地球的二氧化碳含量锁定在一个可控的范围内。”
他推测其他大气气体也可能使系外行星更适合居住。例如,氮气可以将水分截留在低层大气中,从而有助于防止水分流失。在大气中,氮暴露在较少的紫外线下,紫外线会将水蒸气分解成氧气和氢气。含氮的大气将有助于维持液态海洋,并在全球温度调节中发挥关键作用。
科学家可以将这些变量输入到计算机模拟系统中,但是许多关于系外行星大气的研究都是推测性的结论,对潮汐闭锁天体的研究也不例外。首先,很少有数据能够证明所有这些变量的真实性。科尔说:“大多数系外行星的大气天文学只局限于那些看起来不像地球的行星。它们更大,经常被稠密的大气覆盖,比如海王星和天王星。”
图为美国宇航局的太空旅行海报,展示了一颗围绕红矮星TRAPIST-1运行的系外行星。天文学家认为,在TRAPIST-1系统中有七颗行星,它们都与恒星保持潮汐锁定。照片中,乘客到达了位于宜居星区的特拉普斯特1e。专家推测,TRAPPIST-1e的表面有液态水。然而,使用最新的测量仪器,如美国国家航空航天局的太阳系外行星测量卫星(TESS),将大大增加探测到的太阳系外行星的数量。当美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜于2021年发射时,尽管发射可能会因COVID-19流行病而推迟,但科学家们对这架太空望远镜充满了期待,它将对系外行星进行更详细的观测,包括行星大气成分的数据。
这些数据将帮助天文学家改进他们的模型设计,更好地了解任何行星的可居住条件,包括那些遥远的和潮汐锁定的行星。有可能发现数万亿颗系外行星,其中一些有可以孕育生命的浅海,温暖的陆地可以让许多爬行动物生长和移动,中等密度的大气层可以让飞行生物在空中自由飞翔。在外星太阳永恒的阳光下,生命可以繁衍后代。(叶青城)