潮汐鎖定的世界是一個極端的地方。一邊是無盡的白晝，另一邊是永恒的黑夜。然而科學家們推測，其中一些可能蘊藏著支持生命存在的條件。

在某些世界，太陽永遠不會落下或升起。如果一顆行星繞其軸心旋轉(zhuǎn)一圈所需的時間與其繞母恒星運行一圈所需的時間相同，那么這顆恒星看起來就會一動不動地懸掛在天空中。這樣的行星對它們的恒星只有一面之緣，這種情況被稱為潮汐鎖定。

潮汐鎖定的行星是一個分叉的世界。一邊是永恒的白晝，另一邊則是永恒的黑夜。兩者之間的邊界是一圈薄薄的暮色永恒環(huán)（晨昏圈），太陽永遠在那里落下（或者升起，如果你愿意的話）。我們太陽系中的許多世界都被潮汐鎖定——包括我們的月球——其他太陽系中圍繞母恒星運行的系外行星也可能是潮汐鎖定的。

許多這樣的行星對生命不友好，一側(cè)被烘烤，另一側(cè)被冰凍。然而，天文學家和科幻愛好者長期以來一直在思考這樣的世界是否可能孕育生命?，F(xiàn)在，復(fù)雜的計算機建模和新數(shù)據(jù)正在揭示這些被潮汐鎖定的遙遠世界大氣層的更多信息。這些研究正在為這樣一種觀點增添砝碼，即有些潮汐鎖定的世界可能對生命并不那么敵對。

“潮汐鎖定并沒有什么特別糟糕的地方，”英國牛津大學的物理學家雷蒙德·皮埃爾亨伯特（Raymond Pierrehumbert）說。 “永晝的一面是非常好的棲息地，而且數(shù)量相當多?！?/span>

自轉(zhuǎn)減慢

要想了解潮汐鎖定的近似例子，我們只需抬頭仰望： 我們的月球被潮汐鎖定在地球上，這是數(shù)百萬年來月球自轉(zhuǎn)逐漸減慢的結(jié)果，這是由于月球與我們星球的引力相互作用造成的。就像月球的引力使我們的海洋來回晃動，從而產(chǎn)生潮汐（因此被稱為 “潮汐鎖定”）一樣，恒星的引力也會拉扯軌道上行星的巖體，從而產(chǎn)生凸起。

如果行星的自轉(zhuǎn)速度快于或慢于它繞恒星運行的速度，凸起就會稍稍偏離中心。隨著時間的推移，恒星引力對錯位凸起的牽引會逐漸減緩或促進行星的自轉(zhuǎn)，直到達到平衡：行星每繞恒星一圈，就會以其軸心為中心旋轉(zhuǎn)一次。

這種效應(yīng)在距離其母恒星非常近的行星上最為明顯，這就是為什么月球與地球潮汐鎖定，而地球與太陽卻沒有潮汐鎖定的原因。

冥王星和它的衛(wèi)星卡戎也只有一面之緣——它們的軌道非常接近，大小也足夠相似，潮汐力使它們的自轉(zhuǎn)同步。

麻省理工學院的行星科學家丹尼爾·科爾（Daniel Koll）說，雖然天文學家并沒有潮汐鎖定世界的確切數(shù)量，但許多系外行星都以這種方式與恒星發(fā)生引力束縛，這是 "一個基本的預(yù)期"。

這些天體中的許多都將是極端的地方，既是烤焦的，又是冰凍的。比如一顆名為 “巨蟹座 55 e（55 Cancri e） ”的大型系外巖石行星，它大約每 18 個小時繞類太陽的?G 型恒星運行一次。

皮埃爾·亨伯特說：“它太熱了，在晝面有一個永久的巖漿海洋，”他在最近的《流體力學年度評論》中描述了潮汐鎖定世界的大氣層。“然后你會看到巖石蒸發(fā)到大氣層中，然后凝結(jié)到永夜一側(cè)。 所以雨是由一氧化硅之類的東西組成的?！?/span>

但科爾說，一顆被潮汐鎖定的行星，其大氣層與地球大氣層類似，可能會相當有效地重新分配熱量。其結(jié)果可能是適合生命生存的環(huán)境——這也是行星獵手們長期以來的目標。

空氣和水

上世紀初，天文學家錯誤地認為金星可能被潮汐鎖定。 E.V.赫沃德（E.V. Heward）在1903 年寫道：“在永恒的黑夜和白晝這兩個不同的區(qū)域之間，一定存在著一片廣闊的柔和的玫瑰色暮光地帶，那里的氣候條件可能非常適合智慧生物種族的生存。”?

芝加哥大學地球物理學家多里安·阿博特（Dorian Abbot）表示，科幻小說中也出現(xiàn)了對“晨昏圈”宜居性的樂觀看法。 這個想法是，行星的永晝面和永夜面之間的區(qū)域?qū)⒆銐驕睾?，足以讓水以液態(tài)形式存在，也許可以讓生命生存。

科學研究對這一理論提出了質(zhì)疑。 天文學家稱之為“晨昏圈”的暮光區(qū)對于需要太陽光才能生存的生物體來說將是一個貧瘠的地方。

但阿博特說，如果你有合適的大氣，你就不需要晨昏圈來維持生命。

大氣層可以將熱量輸送到行星周圍，使液態(tài)水（也許還有生命）的生存條件變得更加普遍。 “生命不僅僅出現(xiàn)在晨昏圈處，”阿博特說，“它會遍布各處?！?/p>

這需要一個平衡的過程：大氣需要足夠稠密才能傳輸熱量，但又不能太稠密以致令人窒息。 相反，如果永夜面變得太冷，它可能會凍結(jié)氣體，從而完全失去大氣層。

阿博特和科爾在 2016 年開發(fā)的一項模擬表明，正確的平衡是可以實現(xiàn)的：一些潮汐鎖定的系外行星可能擁有“恰到好處”的大氣層，能夠有效地移動熱量，甚至可以讓永夜的一面保持溫暖。

科爾說：“這會很奇怪，因為雖然永遠都是黑夜，但你仍然可能擁有與我們類似的生命存在的條件?！?想想地球上的兩極，盡管陽光稀缺，但生命仍然存在。 “天氣不會變得太冷，很大程度上是因為風或海洋的運動實際上重新分配了熱量?！?br>

在地球上，海洋是全球熱量循環(huán)的關(guān)鍵參與者。 水比空氣擁有更多的熱能，并且在轉(zhuǎn)移熱量方面效率更高。 因此，與大氣一起，海洋可以在保持被潮汐鎖定的系外行星的晝夜溫差方面發(fā)揮重要作用。

哈佛大學研究系外行星大氣的研究員馮丁說，海洋也會導(dǎo)致蒸發(fā)，刺激云的形成，云也可以在調(diào)節(jié)行星的條件方面發(fā)揮重要作用。 當水在大氣中聚集時形成的云可以充當一種反射層，將傳入的恒星輻射反射回來，幫助冷卻行星。

一些計算機模擬表明，云可以使溫度保持在足夠低的水平，即使在可能非常熱的系外行星上也能形成海洋。 這些云會產(chǎn)生降雨。 皮埃爾洪伯特說，在行星的永晝一側(cè)，陽光最強烈的地方產(chǎn)生的強烈上升氣流會使溫暖潮濕的空氣向上移動，形成暴雨。

陸地和生命？

這場雨可以幫助調(diào)節(jié)潮汐鎖定的系外行星的溫度，特別是如果還有陸地的話。 在地球上，雨水與裸露的巖石發(fā)生反應(yīng)，捕獲一些碳作為礦物質(zhì)并將其從大氣中去除，這有助于冷卻地球。 皮埃爾亨伯特說，隨著時間的推移，這種化學風化作用也可以使潮汐鎖定的行星上的二氧化碳水平保持在可控范圍內(nèi)。

他推測，其他大氣氣體也可能使系外行星變得更加宜居。 例如，氮氣可以將水分困在大氣層較低的位置，從而有助于防止水分流失，因為在那里，氮氣受到的紫外線較少，而紫外線會將水蒸氣分解成氧氣和氫氣。 富含氮氣的大氣將有助于維持作為溫度關(guān)鍵調(diào)節(jié)器的液態(tài)海洋。

科學家可以將其中許多變量輸入計算機模擬中，但許多系外行星大氣研究都是推測性的。 對潮汐鎖定行星的研究也不例外。 一方面，能夠證實所有這些變量的數(shù)據(jù)很少。 科爾說，大多數(shù)系外行星大氣天文學都局限于那些看起來不太像地球的行星。 它們體積要大得多，并且經(jīng)常被厚厚的大氣層覆蓋，就像海王星和天王星一樣。

但新的儀器，例如NASA的凌日系外行星巡天衛(wèi)星（苔絲，TESS），將大大增加已探測到的系外行星的數(shù)量。 ?NASA 的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）最終于 2021 年發(fā)射，它將允許對系外行星進行更詳細的觀測，包括有關(guān)其大氣成分的數(shù)據(jù)。

這些數(shù)據(jù)將幫助天文學家完善他們的模型，并更好地了解任何行星宜居的條件——包括遙遠的、被潮汐鎖定的行星。 在可能存在的數(shù)萬億顆系外行星中，其中可能存在可以形成生命的淺海、可以讓生物生長或爬行的溫潤大陸以及可以讓生物飛向天空的大氣層。 在那里，在外星太陽永恒的光照下，生命可以繁衍生息。

關(guān)于作者：?Nathaniel Scharping, Knowable Magazine，發(fā)表于2020 年 7 月 8 日。

原文地址：Beyond the twilight zone: Living on a two-faced world (astronomy.com)