這些潮汐鎖定的世界可能是在宇宙中尋找生命的關(guān)鍵——如果它們存在的話。

長(zhǎng)期以來，人類一直在想象另一個(gè)世界上的生命可能是什么樣子。當(dāng)我們進(jìn)入系外行星發(fā)現(xiàn)的黃金時(shí)代時(shí)，隨著我們進(jìn)入發(fā)現(xiàn)系外行星的黃金時(shí)代，尋找地球2.0的工作開始了，它是地球的孿生兄弟，在其恒星的宜居帶內(nèi)運(yùn)行。但迄今為止，搜索一無所獲，這讓科學(xué)家們開始使用一些打破常規(guī)的思維來尋找宇宙中的另一個(gè)生命天堂。

宜居帶，又稱 “金發(fā)姑娘帶（Goldilocks zone）”，是恒星周圍的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，圍繞恒星運(yùn)行的行星或衛(wèi)星表面可能存在水。恒星越熱，其宜居帶就越遠(yuǎn)。以紅矮星為例： 據(jù)天文學(xué)家估計(jì)，在銀河系數(shù)千億顆恒星中，約有 80% 是紅矮星。這些恒星的質(zhì)量?jī)H為太陽的 0.08 ~ 0.5 倍，表面溫度只有?4000 ~ 6700 華氏度（?2200~ 3700 ℃）左右。因此，這些恒星的宜居帶離很近。

這種接近使得發(fā)現(xiàn)任何從這顆小恒星前面經(jīng)過的行星變得容易得多，因?yàn)檫@樣的日食往往會(huì)阻擋很大一部分星光，從而使系外行星的存在變得清晰。在其為期九年的任務(wù)中，行星獵手開普勒太空望遠(yuǎn)鏡通過這種凌日方法發(fā)現(xiàn)了2709顆行星，另有2057顆仍在等待確認(rèn)。開普勒發(fā)現(xiàn)的大部分行星都是在紅矮星附近盤旋的世界，其中一些與我們的地球大小相似。

在這些類地系外行星中，有一類奇異的行星被稱為眼球行星。這些行星的軌道離它們的太陽太近而被潮汐鎖定，其中一個(gè)半球總是面向恒星，而另一個(gè)半球則處于永恒的黑暗中?？茖W(xué)家們開始意識(shí)到，眼球世界不僅僅是好奇心——它們是了解宇宙中常見生命的關(guān)鍵。它們總是亮的一面和總是暗的一面的排列導(dǎo)致了迷人的天氣和不尋常的地表?xiàng)l件。這些特征可能使位于宜居帶內(nèi)的眼球行星成為孕育生命的主要候選者，但它們也可能使原本宜居的行星變得不宜居。

海洋之眼
行星在恒星周圍凝聚后，會(huì)有一些自轉(zhuǎn)。但隨著時(shí)間的推移，母恒星的引力會(huì)拉扯著這個(gè)世界，減緩行星的自轉(zhuǎn)，直到它被潮汐鎖定。在我們自己的宇宙前廊就有這樣一個(gè)同步旋轉(zhuǎn)的好例子： 月球每月繞地球公轉(zhuǎn)一圈，以同樣的時(shí)間繞其軸心自轉(zhuǎn)一圈。這意味著我們總是能看到月球的同一面孔。
天文學(xué)家注意到，在宜居帶中，被水覆蓋的潮汐鎖定世界會(huì)從晨昏區(qū)（永夜的邊緣）開始結(jié)冰，而在日下點(diǎn)（直接面對(duì)恒星的點(diǎn)）附近，海水會(huì)保持清澈，這就是眼球行星的最初名稱。這個(gè)被海冰包圍的深藍(lán)色中央海洋就像一個(gè)眼球。
隨著天文學(xué)家在過去 30 年中不斷發(fā)現(xiàn)系外行星，他們意識(shí)到眼球行星在行星系中可能比比皆是，各種各樣的世界都可能呈現(xiàn)出眼球的形態(tài)。一個(gè)常見的例子就是超級(jí)地球，它們比地球大，但比海王星小。
位于馬里蘭州格林貝爾特的NASA戈達(dá)德太空飛行中心的天體物理學(xué)家艾莉森·揚(yáng)布拉德（Allison Youngblood）一直在利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡研究在紅矮星附近運(yùn)行的超級(jí)地球。她說：“有一些證據(jù)表明超級(jí)地球有厚厚的大氣層，還有一些大氣層很薄，或者根本沒有大氣層，”但觀測(cè)結(jié)果表明，許多這樣的世界?“非常多云朦朧”。這將使發(fā)現(xiàn)生命誕生變得困難，但一些天文學(xué)家認(rèn)為，在適當(dāng)?shù)那闆r下，超級(jí)地球最有可能在太陽系外存在生命。

其中一種情況是在眼球超級(jí)地球上。這些世界很可能被廣闊的海洋所覆蓋。在永夜面，行星處于地球北極環(huán)境，而永晝面則熱浪滾滾，熱量燒掉了云層，在極端情況下，海洋本身也會(huì)被燒掉。這種行星是否宜居決于很多因素，包括晝夜溫度、母恒星的活動(dòng)、行星大氣的密度，甚至海洋的咸度。

碰巧的是，我們的星際后花園就有一個(gè)主要的宜居目標(biāo)。比鄰星b是一顆 “眼球 ”超級(jí)地球，它的軌道位于半人馬座比鄰星的宜居帶內(nèi)，而半人馬座比鄰星是距離我們太陽系最近的恒星。2017 年發(fā)表在《天體生物學(xué)（Astrobiology）》上的一項(xiàng)研究對(duì)系外行星的潛在氣候進(jìn)行了建模，假設(shè)了各種條件。研究人員得出結(jié)論認(rèn)為，比鄰星b “大氣層與現(xiàn)代地球大氣層相似，可以擁有宜居的氣候，并有廣闊的開放海洋區(qū)域，一直延伸到永夜面”。

海洋能延伸多遠(yuǎn)取決于水中的含鹽量，但即使是高鹽度的海洋，比鄰星b理論上也能孕育生命。只要看看地球上臭名昭著的死海就知道了，在那里，盡管鹽濃度超過了30%，生命還是找到了繁衍生息的方法。因此，在這種情況下，比鄰星b上同樣存在嗜鹽細(xì)菌并非不可能。

2019年發(fā)表在《自然·天文學(xué)（Nature Astronomy）》上的一篇論文指出，由于海冰動(dòng)力學(xué)的原因，比鄰星b下方的海洋可能會(huì)結(jié)冰。在模擬比鄰星b的條件時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海冰漂移到較溫暖的水域時(shí)，冰在融化時(shí)會(huì)冷卻海洋。漸漸地，越來越多的海洋結(jié)冰，甚至在永晝面的也是如此。此時(shí)，只有大氣中含有大量溫室氣體，才能防止全球冰封。

但是，根據(jù)科羅拉多州博爾德大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室副研究員埃里克·沃爾夫（Eric Wolf）的說法，其它模型顯示的情況恰恰相反。正如冰可以從寒冷地區(qū)漂移到溫暖地區(qū)一樣，加熱的海水也可以作為熱量的運(yùn)輸工具，從溫暖地區(qū)運(yùn)輸?shù)胶涞貐^(qū)，并融化冰層，從而使氣候變暖。沃爾夫說：“根據(jù)不同的細(xì)節(jié)，氣候可以是2019年研究所顯示的寒冷、冰冷狀態(tài)，也可以是類似金星、炎熱、以二氧化碳為主的世界，甚至可能像土星的衛(wèi)星土衛(wèi)六一樣，有甲烷和霧霾?！?他補(bǔ)充說，更不用說如果把大陸也包括進(jìn)來的話，“所有的賭注就都沒了，因?yàn)榇箨懙拇嬖诤臀恢脮?huì)極大地改變海洋傳輸?shù)哪Ｊ健薄?/p>

因此，即使一顆眼球行星位于宜居帶內(nèi)，它的表面也可能從一望無際的海洋到冰凍的荒原，變化萬千。

特拉比斯特-1e（TRAPPIST-1 e）

距離地球：41 光年

質(zhì)? ? ? ?量：0.69 M⊕

半? ? ? ?徑：0.92 R⊕

公轉(zhuǎn)周期：6.1 天

作為最著名的恒星系統(tǒng)之一的成員，特拉比斯特-1 e 是圍繞特拉比斯特-1的七顆系外行星之一。其中幾個(gè)世界可能是眼球行星。不過，雖然所有行星都可能有水，但只有三顆行星位于母恒星的宜居帶內(nèi)。

熾熱、明亮的早期恒星階段可能導(dǎo)致所有演化中的行星看起來都像金星：早期的海洋早已蒸發(fā)，只留下厚厚的、不宜居的大氣層。但根據(jù)2018年發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志》上的一項(xiàng)研究，特拉比斯特-1 e最有可能成功保留了水，甚至可能擁有類似地球的海洋。

所有七顆特拉比斯特-1行星都具有相似的密度，這使得該系統(tǒng)與我們的系統(tǒng)截然不同。這種相似的密度表明這些行星也都具有相似的組成成分。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）將進(jìn)一步探測(cè)這些系外行星的大氣層，尋找可能暗示生命存在的元素。

堅(jiān)硬的巖石地方

超級(jí)地球的眼球行星是被海洋覆蓋的球體，包裹在濃密的大氣層中，而較小的潮汐鎖定類地世界的表面則是巖石。當(dāng)母恒星在頭頂閃耀時(shí)，沙漠就會(huì)覆蓋整個(gè)地貌。在靠近夜晚的地方，環(huán)境會(huì)變得更加清爽，也許在那片晨昏區(qū)域會(huì)有液態(tài)水。同樣是在晨昏區(qū)域內(nèi)，如果行星有足夠的大氣層和強(qiáng)勁的風(fēng)流，表面可能會(huì)保持在冰點(diǎn)以上。但如果空氣稀薄或停滯，溫度就會(huì)急劇下降，即使這顆行星位于恒星宜居帶的內(nèi)邊緣。

然而，就宜居性而言，這些較小的眼球行星面臨著比溫度更大的問題：大氣侵蝕。大氣層對(duì)于生命的生存至關(guān)重要，但是，這些小行星的軌道靠近它們的紅矮星，它們面臨著兇猛的恒星風(fēng)，即使是最稠密的大氣層也會(huì)被帶走。NASA戈達(dá)德太空飛行中心的系外行星專家阿維·曼德爾（Avi Mandell）指出：“總有一些大氣層會(huì)被侵蝕——由于我們的太陽，地球一直在失去一些大氣層。但是，如果從行星內(nèi)部泄露出來的氣體補(bǔ)充得不夠快，大氣層可能會(huì)失去維持生命所需的化合物，或者干脆完全蒸發(fā)掉。

揚(yáng)布羅德（Youngblood）認(rèn)為，大氣損失的多少取決于發(fā)生的是哪種大氣逸散。最麻煩的逸出被稱為流體動(dòng)力逃逸（hydrodynamic escape）。如今，只有少數(shù)不同的原子從大氣層頂部逃離地球。但是，在流體力動(dòng)力逃逸的情況下，涓涓細(xì)流變成了滔滔江水，逸出的原子就像流體一樣，拖著較重的原子和分子一起逸出。這種大氣逸出最終是由熱量驅(qū)動(dòng)的，一旦行星達(dá)到這一點(diǎn)，就無法阻止大氣被侵蝕。研究人員認(rèn)為，這種現(xiàn)象可以解釋為什么行星大氣中的氧氣、氮?dú)夂洼^重的惰性氣體會(huì)神秘地消失。

但是，有一些方法可以避免這種失控的損失，給小型眼球行星上的生命帶來一線生機(jī)。金星和地球很可能在其進(jìn)化早期就出現(xiàn)了流體動(dòng)力逃逸，但它們今天仍成功保留了厚厚的大氣層。根據(jù)楊布羅德的說法，減輕大氣侵蝕“部分取決于大氣層的組成——大氣中存在哪些原子或分子能夠吸收驅(qū)使逃逸的恒星輻射”。

40光年外的一個(gè)小眼球世界的各種大氣狀況就是一個(gè)例子。特拉比斯特-1（TRAPPIST-1）系統(tǒng)因擁有七顆類地系外行星而聞名于世。根據(jù)2017年發(fā)表在《天體物理學(xué)雜志通訊（The Astrophysical Journal Letters）》上的一項(xiàng)研究，特拉比斯特-1 e是其中的一個(gè)小型眼球行星，也是最有可能適合人類生存的世界。

該研究模擬了這個(gè)世界在各種大氣條件下的樣子。如果沒有溫室氣體，特拉比斯特-1 e將是一個(gè)寒冷的世界，但即使只有稀薄的大氣層，這個(gè)世界也能在日下點(diǎn)保持宜居狀態(tài)。如果這個(gè)行星上有類似地球的大氣層，那么它的條件就會(huì)變暖，但隨著更多的二氧化碳被注入模型大氣層，它很快就會(huì)變得不宜居。

因此，在適當(dāng)?shù)臈l件下，即使是大氣層受到挑戰(zhàn)的眼球系外行星也可能包含宜居區(qū)域。

巨蟹座 55?e

距離地球：41 光年

質(zhì)? ? ? ?量：7.99 M⊕

半? ? ? ?徑：1.9?R⊕

公轉(zhuǎn)周期：0.7 天

巨蟹座 55 e環(huán)繞著一顆名為哥白尼的恒星（也被稱為巨蟹座 55 A，或簡(jiǎn)稱巨蟹座 55）運(yùn)行，由于其表面熔融，溫度超過3000華氏度（1600℃），因此不適合人類居住。

當(dāng)這顆行星首次被發(fā)現(xiàn)時(shí)，研究人員認(rèn)為它的主星碳氧比很高，這可能表明巨蟹座 55?e被一層厚厚的鉆石覆蓋著。但進(jìn)一步的分析表明，巨蟹座 55?A所含的氧畢竟多于碳，從而排除了這一令人遐想的可能性。

比鄰星 b

距離地球：4.2?光年

質(zhì)? ? ? ?量：1.27 M⊕

半? ? ? ?徑：估計(jì)是1.08?R⊕

公轉(zhuǎn)周期：11.2 天

半人馬座比鄰星 b——通常簡(jiǎn)稱為比鄰星 b——是通過比鄰星本身的微小擺動(dòng)發(fā)現(xiàn)的一顆超級(jí)地球。當(dāng)這顆恒星被它那顆看不見的行星拉向我們和遠(yuǎn)離我們時(shí)，它的光線就會(huì)分別轉(zhuǎn)向光譜的藍(lán)色端和紅色端。比鄰星還擁有另外兩顆行星。

比鄰 b 很可能是一個(gè)大型的類地世界，它位于恒星的宜居帶內(nèi)。但這顆行星受到的紫外線輻射可能比地球從太陽受到的輻射大幾百倍。這種輻射可能已經(jīng)帶走了比鄰星b的大氣層。

即使比鄰星b真的有大氣層，也很難建立行星表面的模型，因?yàn)榭茖W(xué)家不知道它的半徑。大多數(shù)系外行星都是通過凌日法發(fā)現(xiàn)的——當(dāng)行星恰好從恒星前方經(jīng)過時(shí)。這種技術(shù)也能讓研究人員測(cè)量系外行星的半徑。但已知比鄰星b不會(huì)凌日，所以它的半徑是未知的。

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡：檢眼鏡

眼球?qū)＜椰F(xiàn)在有了一個(gè)新工具：詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）。系外行星研究員海蒂·哈梅爾（Heidi Hammel）是 JWST 團(tuán)隊(duì)的成員之一，她期待著這個(gè)強(qiáng)大的天文望遠(yuǎn)鏡帶來新的發(fā)現(xiàn)。她說：”韋伯的強(qiáng)項(xiàng)是大氣化學(xué)；它將與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的工作相輔相成。哈勃的觀測(cè)范圍從紫外線到近紅外，但韋伯對(duì)紅外線的另一部分非常敏感。

研究人員已經(jīng)計(jì)劃利用 JWST 觀測(cè)幾顆眼球行星候選者。在某些情況下，韋伯將在行星穿越恒星時(shí)對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。當(dāng)一顆行星在恒星前方移動(dòng)時(shí)，不僅可以發(fā)現(xiàn)這顆行星，還能確定其大氣層中存在哪些分子。就像行星的固體表面會(huì)阻擋星光一樣，大氣層中的分子也會(huì)吸收來自太陽的光線，從而使我們從恒星接收到的光譜出現(xiàn)偏差。研究這些缺失的星光波長(zhǎng)可以讓科學(xué)家深入了解行星大氣層的化學(xué)成分。

在其他情況下，JWST 將在行星從恒星背后經(jīng)過時(shí)對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，這是一種有效的技術(shù)，可以測(cè)量系統(tǒng)的總光有多少被行星的晝面反射。這可以讓研究人員深入了解一個(gè)世界的化學(xué)成分及其溫度。

目前，隨著科學(xué)家們超越他們過去使用的嚴(yán)格的以地球?yàn)橹行牡哪Ｐ?，氣候模型可能?huì)有很大的不同。有了來自 JWST 的新數(shù)據(jù)，科學(xué)家們就能對(duì)適用于眼球行星的大氣模型施加更多限制，從而更好地了解行星表面可能存在的條件。

JWST 已經(jīng)計(jì)劃對(duì)許多眼球行星進(jìn)行研究，哈梅爾稱之為“常見的嫌疑犯”。她說：“任何你能說出名字的系外行星系統(tǒng)都是韋伯的目標(biāo)——比如特拉比斯特-1（TRAPPIST-1）行星系或巨蟹座 55?e（55 Cancri e）——所以名單上大約有68顆系外行星，包括五六顆位于宜居帶的地球大小的行星。其中一些是候選眼球行星。

雖然條件與地球不同，但外星生命可能存在于這些奇異的天空之下。它們可以看到各種各樣的地貌：冰凍的荒原、崎嶇的山脈、干涸的沙漠，或者從地平線到地平線的海洋。只有時(shí)間才能告訴我們，在紅矮星太陽憤怒的光輝下，生命會(huì)呈現(xiàn)出怎樣奇特的形態(tài)。

LHS 1140 b

距離地球：48.8?光年

質(zhì)? ? ? ?量：6.4 M⊕

半? ? ? ?徑：1.6?R⊕

公轉(zhuǎn)周期：24.7 天

2017 年發(fā)現(xiàn)的 LHS 1140 b 很有希望成為一顆類地系外行星，原因有幾個(gè)。LHS 1140 b距離恒星0.1天文單位（AU，1 AU是地球與太陽的平均距離），位于宜居帶內(nèi)，從恒星接收的輻射是地球從太陽接收輻射的46%。

根據(jù)2017年發(fā)表在《自然》上的一項(xiàng)研究，熔巖海洋可能會(huì)覆蓋這顆行星的表面。然而，熔巖非但不會(huì)阻礙行星的宜居性，反而會(huì)向LHS 1140 b的大氣層輸送蒸汽，為這顆行星補(bǔ)充水分。2020年發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)（Astronomy and Astrophysics）》上的一項(xiàng)研究表明，LHS 1140 b的宜居性取決于其大氣層的成分——生命可能能夠在以氮、氫和二氧化碳為主的大氣層中生存。

研究人員希望利用 JWST 進(jìn)一步了解 LHS 1140 b 的大氣層。

作者： Michael Carroll，發(fā)布于2022 年 8 月 22 日。

原文地址：The strange case of eyeball planets (astronomy.com)