潮汐鎖定的行星如何能避免「大冰凍」命運？

根據一項研究，在可居住恆星宜居帶中，潮汐鎖定的行星也許能夠避免全球冰河時代的到來，這一研究為冰的形成和反射陽光的方式提供了模型。與此同時，另一項研究發現，傾斜強烈的行星更有可能經歷突然的冰河時代。在恆星周圍的「宜居帶」，在地球表面的地球表面，它的溫度足以讓液態水存在，這一直是評估其他星球生命潛力的黃金標準，但隨著我們對天體生物學的理解加深，科學家們正在尋找其他可居住的線索。即使是在一個行星或月球處於可居住帶的位置，在外星世界形成條件的日子、夜晚和季節也會與地球截然不同。

「大冰凍」星球的概念圖，圖片：NASA

一個限定詞是行星的軸向傾斜，也被稱為傾斜。地球相對太陽的旋轉角度為23.5度，這意味著大部分的陽光會照射到赤道，而兩極非常冷，形成了冰蓋。然而,地球傾斜在超過55度可能會形成一個赤道冰帶,以及兩極,將在夏天非常熱,非常寒冷的冬季,所以生活在極地地區將不得不適應極端高溫和寒冷。或者一顆外星行星或月球可能會與它所環繞的任何物體產生共振，因此它進行一次旋轉所需的時間長度與它環繞它的母體所花費的時間完全相同。這樣做的後果是，行星或月球會變得「潮汐鎖住」，並且有一面總是面朝遠離它的恆星，另一面總是在陽光下。例如月亮潮汐地鎖在地球上，這就是為什麼我們總是在月球的近旁看到熟悉的「人」的原因。

這些差異影響著這些世界是否足夠溫暖，足以擁有流動的水，或者它們是正在經歷全球冰河期的冰凍雪球。就連地球這個地球上唯一有生命的星球，在其地質歷史上也在走向冰凍的極端。芝加哥大學的行星科學家Jade Checlair和她的同事們研究了在可居住帶中潮汐鎖住的行星是否會進入冰雪覆蓋整個表面的雪球狀態。他們關注的是被稱為紅矮星的又小又暗的恆星，紅矮星是宇宙中最常見的恆星。因為紅矮星，也被稱為m -矮星，是很冷的恆星，它們的可居住區域相對較近，甚至比水星離太陽的距離(約5800萬公里)要近得多。當一顆行星在離恆星非常近的軌道上運行時，它的引力就會迫使這個世界被潮汐鎖住。

挪威北極圈內的斯匹次卑爾根群島，雪球世界的整個表面都有這樣的冰凍地形。圖片：Thomas A. Brown and Simon T. Belt

希望發現並能夠研究的大部分行星將圍繞m -star運行，他們中的許多人將居住至少一個地球大小的星球。 雖然經過滾雪球式的過程可能會「根除地球上已經存在的複雜動物生命，但地球在大約7.5億至6.35億年前這一戲劇性轉變的經歷帶來了氧氣和複雜生命的增加。複雜生命的增加被認為是由於氧氣的增加和由滾雪球的狀態所造成的進化壓力造成的。例如，在地球上的雪球狀態下，冰凍的溫度和其他嚴酷的條件可能會對生命產生強大的壓力，使其要麼適應，要麼死亡。這種進化壓力可能導致了複雜生物的發展，它們互相競爭資源，對適應或死亡施加更大的壓力。

然而Checlair和她的同事發現，在可居住區域內潮汐鎖定的行星可能不太可能進入滾雪球狀態。科學家們在《天體物理學雜誌》上詳述了他們的發現。為了得出他們的結論，研究人員開發了一種全球氣候模型，描述了一顆類似潮汐的類地行星，位於宜居帶。他們關注的是這顆行星從它的恆星吸收了多少光，以及有多少光被反射回了太空。科學家們發現，由於冰在地球表面堆積的方式，雪球狀態不會突然發生。相反，他們的模型表明，它將順利地從部分冰蓋過渡到完全冰蓋，然後再回來。此外，活躍的碳循環——碳是一種強大的溫室氣體——可以幫助潮汐鎖定的行星避免完全的冰川化。目前還不清楚，一個滾雪球的狀態是否會更有害或者更有利於生命在宜居行星上的存在，它肯定對宜居性有影響，但還需要進一步研究，以確定這種影響是積極的還是消極的。

外星的軸向傾斜

一項研究中，紐約奧爾巴尼大學(University at Albany)的氣候動力學家布萊恩·羅斯(Brian Rose)研究了居住區內具有一系列軸向傾斜的外星行星。他和他的同事們想要知道，在適宜居住的區域內，那些高不穩定的行星是否能在赤道附近擁有穩定的、長壽命的冰帶，以及其他可能對這些行星產生重大影響的結果。例如高傾角行星的極地區域在夏季會持續數天的日照，在冬季則會持續數天的黑暗，因此「所有的光合生命都必須很好地適應這種強烈的季節性機制。羅斯的團隊開發了一個全球氣候模型，可以模擬許多不同的天體。

在紅矮星周圍的宜居帶中運行的行星經常被發現是潮鎖的，所以它們的一天和它們所在的年份一樣長，而且它們的自轉速度意味著它們總是向它們的恆星展示同樣的一面。圖片：David A. Aguilar (Harvard CfA)

這些模型還模擬了雪、冰、水和陸地在不同緯度上反射光線的方式，以及大氣和洋流從地球的暖區向冷區移動熱量的方式。研究人員發現，任何適合居住的世界都可能很少擁有赤道冰帶。有可能適合居住的行星，具有55度或更高的高度，可以從完全不結冰的狀態轉到完全由冰覆蓋的狀態。羅斯和他的同事還在《天體物理學雜誌》上發表的一篇論文中詳細闡述了他們的發現。這些結果令人興奮的是模型的簡單性，它讓我們能夠以一種簡單而有組織的方式探索可能存在的行星特徵的廣泛變化。科學家們發現，在高傾斜度的世界，無冰的極地冰帽通常吸收的光比覆蓋在冰層上的赤道地區反射的光線要多，這就造成了氣候變暖，容易破壞冰帶的穩定性。

他們發現，極地冰蓋的數量應該是赤道冰帶的三到四倍。穩定的冰帶是可能的，但相對來說比較罕見，這需要行星特性的『恰到好處』結合。可能適合居住的行星有很大的不確定性，可能「在全球雪球和完全無冰的條件之間發生劇烈的氣候變化」。這顆假想的行星或多或少適合於生命而不是地球？羅斯的共同作者Cecilia Bitz得到了NASA天體生物學項目NASA天體生物學研究所的資助。與此同時，Checlair的工作得到了美國宇航局「可居住世界」計劃的支持。NASA的天體生物學為可居住的世界提供了資源，並為NASA科學任務理事會(SMD)的其他研究和分析項目提供了相關的研究和分析項目。

博科園-科學科普｜文：Charles Q. Choi/Space

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