被大气层包裹的行星可能避免主恒星的“潮汐锁定”,稀薄的大气层甚至层使得行星保持自由转动的状态,好像地球的自转形成了白天与黑夜一样。加拿大和法国的天文学家团队最近探讨了行星大气层的物理作用,新的理论视角增加了“生命行星”存在的可能性。很多系外行星位于昏暗恒星的宜居带,天文学家相信,“昏暗太阳”的矮星在银河系十分常见,处在昏暗恒星宜居带的行星可能存在陆地的气候类型。多伦多大学的天文学家杰里米·勒孔特对行星大气层的奇特作用感到意外,科学家以前没有预料行星大气层存在强大的作用力。天文学家直到目前为止发现了多颗系外行星,它们绕着主恒星旋转,好像地球绕着太阳旋转一样。更加清晰的行星图景显示,微小的宇宙银河系包含了数量惊人的行星,天文学家说不清究竟存在多少孕育了生命的行星、或在我们“大而小”的银河系究竟存在多少颗生命行星。
大多数恒星是橙色和红色的矮星,它们比太阳更冷、更小、发出的光线更为昏弱,宜居行星为了保持必需的温度“蜷缩”、“依偎”在主恒星附近,“停泊”在恒星“港湾”的行星遭遇了更大的引力作用,行星与主恒星靠得越近,它们受到的恒星的潮汐引力越强。潮汐力影响了行星的旋转速度,潮汐力在极端的情形达到了一定的强度,主恒星对行星产生了“潮汐锁定”,受到潮汐锁定的行星旋转得越来越慢。好像地球以“潮汐力”锁定了月球一样,恒星施加的潮汐力使得行星的一面永远朝向恒星,行星的另一面永远背向恒星,形成了独特的自然奇观:朝向恒星的一面是永恒的白天,背向恒星的一面是永恒的黑夜。永恒黑夜一面行星的气温极为寒冷,形成了“大冰冻”的黑夜世界。
人类十分幸运,太阳比典型的“昏暗恒星”明亮许多,远离太阳的地球拥有适宜的气温,同时避免了太阳潮汐力的锁定,地球在自由旋转中形成了辐射均匀变化的白天和黑夜,东半球、或西半球没有陷入永恒的白昼和黑暗之中,永远在黑暗世界生存的人们看不到光明的日子。在地球大部分维度地区生活的人们享受了每天24小时白天与黑夜交替的“时光大餐”。水星和金星没有那么不幸,太阳潮汐力显著地减慢它们的旋转速度,水星的自转周期(一天)为58.65天,它的公转周期(一年)为88天,水星的一天相当于一年的三分之二,真正是一个漫长的白天和黑夜,假如地球人移居到水星,人们只能在白天睡去,在黑夜醒来,或者在白天毫无睡意,或者在黑夜昏昏欲睡,任何生命的“养生堂”改变不了人们的起居行为。白天的水星气温升高到融化铅的程度,夜晚水星的气温降低到比土星的气温更低。
太阳潮汐力减慢了金星的旋转速度,金星沿太阳公转的周期为天,自转的周期为天,两种周期出现轻微的不匹配。金星的大气层很厚实,它的地面大气压相当于地球的93倍,大气层和金星表面发生了摩擦,从而改变了它的旋转速度。勒孔特和他的同事研究了一个课题:较薄大气层的行星出现怎样的情形?假如含有稀薄大气的地球围绕一颗橙色、或红色矮恒星近距离地旋转,那么将会产生怎样的结果?科学团队的模拟计算显示,含有稀薄大气的地球在很多情形中保持了自由旋转。当质量为太阳60%的行星围绕一颗红矮星转动时没有发生“潮汐锁定”,当这颗行星和红矮星的距离只有地球和太阳距离的三分之一时,同样没有发生行星被锁定的现象。处在红矮星宜居带的行星可能存在适宜的气温和液态的水。假如行星大气层的浓度为地球的10倍,模拟计算的结果显示,即使行星更靠近主恒星依然保持了自由旋转。
宜居的真正含义是什么?自然的奇迹始终挑战了人类认识的智慧,一方面,一个自由旋转的行星能够模仿地球的气候类型;另一方面,被恒星潮汐力锁定的行星能够支撑生命的活动。处在白天的行星维持了生命的生长,处在黑夜的行星可能获得生命的条件,地球上的一些动物白天休息,晚上活动,黑夜动物扩展了生命活动的范围,有一些行星的大气将白天积蓄的热量传播到黑夜,黑夜活动的动物不会感到格外寒冷,处在黑夜一面行星的大气不会冻结和消失。
勒孔特和同事的研究成果是十分有趣而重要,可能应用到对很多行星的分析,橙色和红色矮恒星在宇宙中非常普遍,天文学家发现了一些行星处于红矮星的宜居带。生命的可能性不等于生命的现实性,处在红矮星宜居带的行星是否存在生命活动?天文学家目前很难判断,他们考虑了其了它的挑战因素,例如:更靠近主恒星的行星在轨道的转动速度更快,好像水星的公转周期比地球短了许多一样,小行星和彗星可能更为频繁地撞击水星和金星,将它们的大气层“踢出圈外”,上演一场别开生面的“踢馆赛”,人们很难想象,生命在频遭小行星和彗星袭击的行星上获得了良好的生长条件,相反,我们居住的地球曾经得益于小行星和彗星的撞击,它们在破坏过地球生命环境的同时给地球带来了大部分生命需要的水资源。《科学》杂志刊载了科学团队对大气层物理作用的研究成果。
(编译:-1-16)
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