新的研究表明潛在適居系外行星非常普遍

科技 08-16

【博科園-科學科普】對於低質量、超冷和超昏暗的紅矮星的研究最近發現了大量的外太陽系行星。這些發現包括一顆圍繞著最近的恆星運行的岩石行星的發現(比鄰星b)和一個只有40光年遠的七行星系統(trappist - 1)。在過去的幾年裡，天文學家還發現了圍繞著Gliese 581、Innes Star、開普勒42、Gliese 832、Gliese 667、Gliese 3293和其他恆星運行的候選行星。

對一種系外行星繞著低質量的紅矮星運行的藝術印象圖。圖片：NASA/JPL

這些行星的大部分都是岩態行星，許多行星被發現在其恆星的宜居帶內運行（適居帶)。然而不管這些行星是否處於一種無潮的狀態，人們都在不斷地面對著他們的恆星。根據華盛頓大學的一項新研究被鎖住的行星可能比之前認為的更為常見。

這項研究是由華盛頓大學的天文學和天體生物學助理教授羅里·巴恩斯(Rory Barnes)領導的，該研究的標題是「居住系外行星的潮汐鎖定」。他也是一個擁有虛擬行星實驗室的理論家，他的研究主要集中在圍繞著低質量恆星「宜居帶」的行星的形成和演化。

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潮汐鎖定導致月球繞地軸旋轉的時間與繞地球運行的時間相同（左側）。圖片： Wikipedia

對於現代天文學家來說，潮汐鎖定是一種很容易理解的現象，它是由於它們在一個天體和它的軌道上的角動量沒有系統傳輸的結果。換句話說軌道天體的軌道周期與它的旋轉周期相匹配，確保了這個物體的同側總是朝向行星或它運行的恆星。

想想地球上唯一的衛星——月球。除了要花27.32天的時間繞地球軌道運行外，月球還要花27.32天的時間繞地球自轉一周。這就是為什麼月球總是向地球呈現同樣的「臉」，而遠離的一面被稱為「黑暗面」。天文學家認為這是在大約45億年前一個火星大小的物體(Theia)與地球相撞後發生的。

除了拋擲最終形成月球的碎片外，人們相信撞擊撞擊地球的角度，使地球的自轉周期為12小時。在過去研究人員用這個12小時的地球自轉的估計作為太陽系外行星行為的模型。然而在巴恩斯的研究之前，從來沒有進行過系統的檢查。

為了解決這一問題，巴恩斯選擇了一個長期以來的假設即只有更小、更暗的恆星才能承載軌道上鎖定的行星。他還考慮了其他的可能性，包括較慢或更快的初始旋轉周期，以及行星大小的變化和軌道的偏心。他發現以前的研究是相當有限的，只有一個結果。

由於它們的軌道很近，低質量、m型(紅矮星)恆星周圍的岩石行星很常見。圖片：M. Weiss/CfA

正如他在華盛頓大學的新聞聲明中解釋的那樣：

行星形成模型表明，行星最初的自轉可能比幾個小時，甚至幾周都要大得多。所以當你探索這個範圍時，你會發現更多的系外行星有可能被潮汐鎖定。例如如果地球沒有月亮，並且有一個四天的初始「日」，一個模型預測地球現在將會被潮汐鎖定到太陽。

從這一點上，他發現那些在很晚的m型(紅矮星)軌道上運行的潛在宜居行星，在它們形成後大約10億年的軌道上，很可能會有高度圓形的軌道。此外他發現對於大多數天體來說，他們的軌道與他們的旋轉是同步的。他們將會與他們的明星保持關係。這些發現可能對研究外行星的形成和演化有重要的影響，更不用說可居住性了。

在過去被認為是被鎖住的行星被認為具有極端的氣候，從而消除了任何生命的可能性。舉個例子水星經歷了一個3:2的自旋軌道共振，這意味著它在它完成太陽的每兩個軌道上旋轉三次。正因為如此，水星上的一天只要176天，地球和溫度範圍從100(-173°C;-279°F)到700 K(427°C;800°F)之間。

對於一顆繞著恆星運行的小行星來說，人們相信這種情況會更糟。然而天文學家們已經開始推測，這些行星周圍的大氣層可能會在它們的表面重新分配溫度。與沒有大氣和沒有風的水星不同，這些行星可以維持對生命有利的溫度。