一颗被恒星潮汐锁定的行星上会是怎样的情景,会有可能适合生物生存么?

一颗被恒星潮汐锁定的行星上会是怎样的情景,会有可能适合生物生存么?

赢得2020年美国轨迹科幻小说奖的The City in the Middle of the Night就描述了一个发生在潮汐锁定的行星上的故事,那里的人类都定居在晨昏线附近,绝大多数集中在两个政治体制截然不同的城市里,周围还存在对人类怀有敌意的本地物种。

作者Charlie Jane Anders好几年前就对潮汐锁定的行星产生了浓厚的兴趣,为了写这本小说,她采访了很多天文学家和天体物理学家,并广泛阅读了这一领域最新的论文。下面摘录一些她做的笔记。

根据天文学家估计,很可能宇宙中大多数位于宜居带内的行星都是潮汐锁定的。这其实并没有什么神奇的地方,纯粹是因为红矮星数量极大的原因。有估计在银河系里3/4的恒星都是红矮星,而这些低温红矮星的宜居带非常靠近恒星,里面的行星距离母星大约只相当于水星和太阳的距离。在这个距离下,行星将会被潮汐锁定。

例如,前几年在TRAPPIST-1恒星周围发现7颗行星,7颗行星全部都是地球大小,位于宜居带内,因此全部都被潮汐锁定。

潮汐锁定的行星上最有可能支持生命的地区自然是晨昏区,那里居住的人类有可能可以利用两侧的热水和冷水温差提供能源。是否能供人居住很大程度上取决于行星上是否有高效的传热系统,不然最糟情况下可能所有的水甚至所有的大气都在背阳面冻结起来。

计算机模拟显示在潮汐锁定行星上可能会有两条非常强的气流带,类似于地球上的喷射气流。但是如果行星距离恒星过近,可能只会在向阳面形成一条气流带,那样一来热量将会被困在向阳面。

即使热量交换充分,两面温差仅差20几度都有可能制造巨大问题,如果向阳面温暖如春,背阳面照样可能滴水成冰,完全有可能把所有的水都冻结起来。洋流可以帮助热量交换,但这取决于行星的初始条件,有多少水,大陆和海洋的相对位置等等。

一种可能的情况就是俗称的“眼珠地球”模型。一个完全被冰覆盖的行星向阳面的冰完全融化后看上去就像是一颗眼球一样。如果海洋传热效率很高,可能会产生被冰包围的一个奇形怪状的海洋。

在最极端情况下,向阳面的高温会使得水无法存在,即使这样在背洋面依然会形成水。一个很好的例子就是WASP-103b,一颗热木星,在其上向阳面水分子都会被分解,但是在背阳面水分子重新形成,以云的形式出现,周而复始。

此外,红矮星对于支持生命存在还有其它不利因素。它们是一种情绪多变的恒星,常常会一言不合往太空喷射物质。这些喷射会提高宜居带行星的表面温度,也可能会吹走大气。地球历史上就发生过这种情况,地球形成之初的“原始大气”其实全部都被太阳风吹散了,现在的大气是从岩石中释放出来的气体慢慢形成的。在潮汐锁定的行星上,猛烈的太阳风可能会吹散第二代大气。

另外,辐射也是一个大问题,红矮星的波谱里紫外线不足无法产生臭氧层。

科学家也研究了这样的行星上的植物存活问题。一开始的植物应该和地球一样,是在海洋里进化出来的,水能够提供减弱辐射的作用。如果恒星的任性期结束,行星表面气候好转,植物可能会来到陆地上。经过计算红矮星的波谱内可见光强度足以驱动光合作用。

如果大气稳定到可以支持生命,那很大可能也会产生可以冷却向阳面的气流,大气中的云也会起到降温作用,最后可能很多向阳区内的温度不会比地球热带更难熬。人类因此可能不只限于晨昏带。

一种比较可能的模式是居住在向阳面边缘,但是从背阳面运送冰块补给水。同时,温度于冰点附近的背阳面边缘也不是不能住人,看看西伯利亚的原住民就知道了。

比较有趣的一点是,在这样的行星上居住的人每天抬头看到的天空都是一成不变的,向阳面的人将会失去所有对“宇宙星空的向往”,他们对于时间的感知也会受到环境影响。