導言

一顆被潮汐鎖定的行星在其圍繞恒星的軌道上始終保持同一個面朝恒星的方向。當行星繞自己的軸旋轉的周期等于它繞恒星旋轉的周期時，就會出現(xiàn)這種情況。即使自轉周期和公轉周期最初不同，但隨著時間的推移，由于恒星的引力作用，行星上的潮汐會使自轉周期和公轉周期同步，這就是潮汐鎖定（tidal-locking）一詞的由來。當然，與其說是行星和恒星，還不如說是其它任何一對有引力束縛的天體，比如地球和月球。

月球始終保持同一個面朝向地球。這就是地球引力可能對月球造成的潮汐效應。隨著時間的推移，月球的自轉周期與其繞地球公轉的周期變得同步。月球和太陽引起的潮汐也在減慢地球的自轉速度，白天也在一天天延長。在非常遙遠的未來，一天會變得更長，首先是一個月，當?shù)厍虮辉虑虺毕i定時，然后可能是一年，當?shù)厍虺蔀橐活w被潮汐鎖定的行星，其自轉周期等于繞太陽公轉的周期時。通常情況下，在基于原子鐘的標準計時中，必須增加一個閏秒，以與一天的緩慢延長保持同步。

潮汐鎖定會對地球的生態(tài)系統(tǒng)產生一系列影響，因為晝面開始獲得所有的陽光，而夜面則慢慢凍結。事實上，在這方面，我們想到的一個極其重要的問題是——在這樣一個一面始終朝向太陽（溫度遠高于 100°C，即水的沸點），而另一面較暗（- 100°C，狂風呼嘯）的星球上，生命能夠維持下去嗎？我們在這里不討論極小的概率，甚至不討論生命在這樣一個行星系統(tǒng)上開始或演化的可能性。但是，假設生命真的形成并進化到更高的形式，生活在這樣的星球上會是什么樣子呢？我們可以換一種問法：如果我們被傳送到這樣一顆行星上，我們會期待過上什么樣的生活。當然，這種星際旅行實際上是不可能的，它只能存在于我們的想象之中。

什么導致了潮汐鎖定?

月球的引力在地球上的海洋中引起潮汐隆起，一般來說，在地球的兩側會有兩個潮汐隆起。潮涌的出現(xiàn)是因為月球引力的不同。在靠近月球的地方，海洋受到的引力比地球中心大，因此會感受到更大的引力，海水被從地球拉向月球，從而在靠近月球的一側產生隆起。另一方面，遠側的隆起是因為那里的水被拉向月球的力小于地球中心的力，因此那里的水相對遠離地球中心。因此，隨著地球的自轉，地表上的某一點會在一天內經歷兩次潮汐。由于摩擦，地球的反應會出現(xiàn)延遲，導致潮汐隆起與地月軸線形成一個小角度。月球對潮汐隆起施加扭矩，使地球的自轉減慢，從而延長了一天的時間。自從地球上第一次形成海洋以來，這種減速機制已經運行了數(shù)十億年。有地質學和古生物學證據(jù)表明，在遙遠的過去，地球自轉得更快，月球離地球更近。潮汐節(jié)律巖是潮汐流量大的河口近海交替堆積的沙層和淤泥層。在這些沉積物中可以發(fā)現(xiàn)日、月和季節(jié)周期。地質記錄顯示，6.2 億年前，一天為 21.9±0.4 小時，一年有 400±7 個太陽日。向后推算，在地球最初的十億年中，一天的時間更短，一年可能有一千多天。當然，一年的實際持續(xù)時間并沒有改變，只是天數(shù)減少了，每一天的持續(xù)時間隨著時間的推移而變長。

我們每年有一到兩次閏秒（6 月 30 日或 12 月 31 日）。每4萬年，一天就會延長一秒。這看似不多，但如果按線性推算，就會變得非?？捎^。地球自轉速度減慢導致晝長月短。地球潮汐隆起對月球產生的力矩導致月球軌道運動加速，使月球以平均每年約 2 厘米的速度遠離地球。軌道的大小以這樣一種方式發(fā)生變化，以保存系統(tǒng)的角動量。如果地球和月球仍然繼續(xù)存在，到晝長等于月長時，月球的距離將最終增加到當前值的 1.35 倍左右，月球潮汐摩擦機制也將停止。屆時，地球將與月球潮汐鎖定。據(jù)預測，在未來數(shù)十億年后，當日長和月長都等于大約 47 天（當前）時，這種情況就會發(fā)生。盡管太陽對地球潮汐的影響不及月球的一半，但太陽引起的潮汐仍然存在。最終，地球的自轉周期可能會與繞太陽公轉的周期相等。晝夜循環(huán)將停止，地球的一側將永遠面向太陽，而地球的另一側將永遠處于黑暗之中，地球將因此被太陽潮汐鎖定。也許發(fā)生這種情況所需的時間太長了，在太陽變成紅巨星之前，地球和月球可能會被太陽吞沒。但是，我們仍然可以想象這種潮汐鎖定發(fā)生的可能性，如果不發(fā)生在地球上，也可能發(fā)生在其它恒星周圍的行星上。

潮汐鎖定的行星在哪？

在太陽系中，除了月球之外，還有許多衛(wèi)星與它們的主星潮汐鎖定。冥王星和卡戎星都相互潮汐鎖定。宇宙中的近雙星預計也會相互潮汐鎖定。一個不尋常的例子是 右攝提二（牧夫座τ，τ Boo，Tau Bootis），這是一顆被行星潮汐鎖定的恒星。潮汐鎖定所需的時間實際上取決于軌道距離、兩個天體的質量以及軌道天體的延展性等因素。一般來說，距離較近的天體更容易發(fā)生潮汐鎖定。對于圍繞 M 型主序星（比太陽?。┻\行的行星來說，行星潮汐鎖定的區(qū)域與所謂的宜居帶重疊，在宜居帶中，水可以作為液體保留在行星表面。對于這樣的恒星，我們預計宜居帶中的很多行星都會被潮汐鎖定。

我們現(xiàn)在知道其它恒星周圍也有行星系統(tǒng)，已經發(fā)現(xiàn)了大約一千顆這樣的系外行星。有證據(jù)表明，其中一些系外行星與伴星潮汐鎖定。格利澤 581 g（Zarmina）是一顆太陽系外行星，圍繞著格利澤 581（Gliese 581），這是一顆M3V紅矮星，距離地球約20.5光年，位于天秤座。這顆行星位于母恒星的宜居帶附近，存在液態(tài)水的可能性很大，曾被認為是最像地球的行星，也是當年發(fā)現(xiàn)的有可能孕育生命的最佳系外行星候選者。在這樣一顆行星上可能存在有限的生命。然而，格利澤?581 g被恒星潮汐鎖定。潮汐鎖定行星的直接缺點是顯而易見的。行星的一側會變熱，而另一側則會結冰，從而對行星的大氣系統(tǒng)造成嚴重破壞。

潮汐鎖定行星的大氣系統(tǒng)

在一顆潮汐鎖定的行星上，有一個區(qū)域始終靠近恒星。這個區(qū)域被稱為日下點（substellar point），它持續(xù)接受更多的陽光直射，因此也會產生更多的熱量。一側的水可能是水蒸氣，而另一側的水可能凍結成冰。行星一側持續(xù)的強烈加熱會改變甚至控制行星的風化程度，從而導致顯著甚至不穩(wěn)定的氣候變化。這些劇烈的氣候影響可能會使一顆原本有可能孕育生命的行星變得不適合人類居住。一顆被潮汐鎖定的行星上不穩(wěn)定的氣候可能會產生失控的溫室效應，導致大氣層像金星一樣。

這不僅僅是極端溫度的問題。由于長期得不到恒星的熱量，夜面的大氣首先會變成密度更大的氣體，然后凝結成液體，也許還會進一步凝結成固體。與此同時，持續(xù)暴露在光線下的空氣，或者被持續(xù)暴露在光線下的加熱的地面空氣——會升溫膨脹。雖然行星夜面的大氣是否會變成固態(tài)值得懷疑，但它肯定會不斷凝結，并留下真空，從另一面吸入膨脹的熱空氣。這可能會造成大氣循環(huán)，使行星宜居，但也會導致地獄般的風暴，因為行星晝夜兩面的大氣基本上會不斷交換。大氣層的存在有助于熱量在整個行星上的分布，使溫度均衡。但是，潮汐鎖定可能會導致巨大的氣候變化，這一結果可能會威脅到這些行星表面的生命進化。行星的遠側將是寒冷的，因為它永遠看不到恒星。它唯一的溫暖的來源將是來自行星較溫暖部分的風。如果沒有熱量從熱的一側傳到冷的一側，那么我們可以預計冷的一側的溫度會低于-100 °C，而熱的一側的溫度會超過 100 °C。但是，如果行星上有大氣層，那么它就會把熱量從熱的一側傳到冷的一側，這可能會使溫差變得更加溫和。

也許在晝夜區(qū)域的邊界附近可以找到一些液態(tài)的水，人們可以期待某種水循環(huán)，比如冰川被不斷的從晝面吹來的暖空氣融化，融化的水匯成巨大的河流流向晝面，在那里蒸發(fā)并循環(huán)到夜面變成雪。

被潮汐鎖定的行星上能維持生命嗎？

考慮一下在一顆被恒星潮汐鎖定的行星上的人們的生活會是怎樣的，在這顆行星上，一邊永遠是明亮和滾燙的，另一邊永遠是黑暗和冰冷的。行星白晝的一面將被剝去海洋，終日面對燃燒的恒星和炙熱的狂風，而黑暗的一面則被冰凍的海洋覆蓋，刺骨的寒風終日呼嘯。在這樣一個荒涼的世界里，生命將很難維持。根據(jù)距離日下點的遠近，會有不同的氣候區(qū)，呈同心環(huán)狀。在中心，可能會有炙熱的沙漠，但在距離日下點更遠的地方，隨著恒星在天空中的位置越來越低，氣候會逐漸變得涼爽。行星上不同的地方要么是白天，要么是黑夜，甚至在兩者之間的地區(qū)會出現(xiàn)黃昏。然而，在特定的地方，不會發(fā)生從白天到黑夜或從黑夜到白天的變化。

如果生命能夠在這樣的星球上掙扎，也將是非常艱難的，或許只能在地下生存。更有可能的是，在兩邊之間的環(huán)形地帶——?“晨昏圈”可能是生命進化和繁衍的地方。在這個環(huán)繞行星的晨昏圈中，恒星將長期低垂在地平線附近，或者恒星圓盤部分露出地平線，由于散射光的緣故，天空呈現(xiàn)出五彩繽紛的紅色和黃色。然而，一側的熱量會導致空氣上升，形成低壓系統(tǒng)，而另一側的冷量會導致空氣下沉，形成高壓系統(tǒng)。這將導致行星經歷持續(xù)而劇烈的空氣循環(huán)，或者說，或者本質上是一場席卷全球的颶風。持續(xù)的空氣循環(huán)實際上會使溫度廣泛循環(huán)，極端溫度也會隨之減輕。巨大的河流從寒冷的一側穿越到炎熱的一側，水循環(huán)可能會使在那里生命成為可能。

一個重要的問題是時間概念。沒有晝夜循環(huán)，就很難有時間概念。在地球上，我們從一出生就注意到自然界的許多現(xiàn)象都是重復的。這是由于我們最基本的自然時鐘，即地球的自轉，導致太陽的升起和落下，從而產生了不同的光明和黑暗時期。所有人類和動物的生命都相應地進化，在白天保持清醒，在黑夜則沉睡不醒。就連植物也遵循每天的節(jié)律。當然，也有一些狡猾的生物利用黑暗變成了夜行動物，例如猛獸、吸血蚊子、小偷和竊賊，當然還有天文學家。

至少，在潮汐鎖定的行星上可能沒有天文學家，因為星空可能不為人知（除了一些敢于深入行星永夜面的冒險家傳言）。宇宙的秘密——行星、恒星、銀河系、其它星系——所有這些宇宙奧秘可能非常難以解開，甚至根本不可能解開。試想一下，我們人類花了數(shù)千年的時間才發(fā)現(xiàn)，幾顆“游蕩的星星”就是我們附近的天體（行星），而這一切發(fā)生的時候，大多數(shù)地方每天大約有一半的時間（夜晚）是可以看到星空的。一顆被潮汐鎖定的行星上的居民，當他們永恒的“炎熱的夏日下午”永遠不會變成涼爽和黑暗的夜晚時，他們又怎么會知道呢？

被潮汐鎖定行星上居民的 “一天”生活

在地球上，早期人類注意到，在一定時期內，季節(jié)會按照幾乎固定的模式發(fā)生變化。在熱帶附近——例如印度的大部分地區(qū)——炎熱的季節(jié)被暴雨取代，接著是幾個月的嚴寒，然后是幾個月的宜人天氣，然后炎熱再次降臨；這種重復循環(huán)的時間段定義為一年。我們可以想象，在一個潮汐鎖定的地球上是沒有四季的。日照量的唯一變化來自于地球軌道略微橢圓導致的與太陽距離的微小變化。當然，如果地軸不傾斜于黃道，情況也會如此。

因此，有人會問，如果一顆潮汐鎖定的行星的轉軸線像地球一樣傾斜于它的軌道平面，那么還會有四季嗎？雖然在這樣的世界上不會有晝夜循環(huán)，但如果行星的軸線傾斜到圍繞恒星的軌道面上，溫度的變化就會隨著恒星在地平線上的高度而循環(huán)。對于這顆被潮汐鎖定的行星上的居民來說，這個周期將是最自然的時鐘，從而定義了這顆行星上的白晝，調節(jié)著這顆行星上居民的日常生命周期。那么，一個“早晨”將從寒冷的冬天開始，接著是怡人的春天，然后是炎熱的夏天午后，秋天在傍晚降臨，緊接著又是一個冬天的早晨，開始下一個（長達一年的）白天。根據(jù)緯度的不同，中間可能會有一個完全漆黑的夜晚，也可能永遠沒有夜晚。

當然，根據(jù)宜居帶的寬度，隨著一天天過去，溫度也會發(fā)生變化，可能比我們在地球上習慣的四季變化要大得多。為了躲避不斷升高的熱量或即將到來的寒冷，人們將被迫根據(jù)一天中的不同時間向永夜或永晝的一面遷移，根據(jù)溫度的變化、行星的大小和晨昏圈的寬度，可能會遷移數(shù)百或數(shù)千公里。我們在地球上有晝夜周期，有工作或睡眠時間。由于沒有晝夜循環(huán)，這顆被潮汐鎖定的行星上的居民可能不會把睡眠作為他們日常生活的必要組成部分。即使在地球上，也許也有許多物種，如螞蟻，從不睡覺，不停地工作。也許潮汐鎖定行星的居民也會終生不停地工作，從一個地方遷徙到另一個地方，沒有停歇。請放心，在這樣的行星上，可能一整天都不會休息。沒有晝夜循環(huán)，沒有睡眠和睡醒時間，沒有辦公室或學校的日常作息時間，周末也很悠閑，可能幾乎沒有任何娛樂活動，再加上從一個地方遷移到另一個地方的煩勞，這種生活對我們今天的地球人來說可能聽起來枯燥乏味，但對潮汐鎖定行星上的居民來說可能聽起來并不那么無聊，因為他們是在一個非常不同的系統(tǒng)中進化而來的，有著非常不同的“生活方式”。