奇异的眼球行星
这些潮汐锁定的世界可能是在宇宙中寻找生命的关键——如果它们存在的话。

长期以来,人类一直在想象另一个世界上的生命可能是什么样子。当我们进入系外行星发现的黄金时代时,随着我们进入发现系外行星的黄金时代,寻找地球2.0的工作开始了,它是地球的孪生兄弟,在其恒星的宜居带内运行。但迄今为止,搜索一无所获,这让科学家们开始使用一些打破常规的思维来寻找宇宙中的另一个生命天堂。
宜居带,又称 “金发姑娘带(Goldilocks zone)”,是恒星周围的区域,在这个区域内,围绕恒星运行的行星或卫星表面可能存在水。恒星越热,其宜居带就越远。以红矮星为例: 据天文学家估计,在银河系数千亿颗恒星中,约有 80% 是红矮星。这些恒星的质量仅为太阳的 0.08 ~ 0.5 倍,表面温度只有 4000 ~ 6700 华氏度( 2200~ 3700 ℃)左右。因此,这些恒星的宜居带离很近。
这种接近使得发现任何从这颗小恒星前面经过的行星变得容易得多,因为这样的日食往往会阻挡很大一部分星光,从而使系外行星的存在变得清晰。在其为期九年的任务中,行星猎手开普勒太空望远镜通过这种凌日方法发现了2709颗行星,另有2057颗仍在等待确认。开普勒发现的大部分行星都是在红矮星附近盘旋的世界,其中一些与我们的地球大小相似。

图片来源:Michael Carroll
在这些类地系外行星中,有一类奇异的行星被称为眼球行星。这些行星的轨道离它们的太阳太近而被潮汐锁定,其中一个半球总是面向恒星,而另一个半球则处于永恒的黑暗中。科学家们开始意识到,眼球世界不仅仅是好奇心——它们是了解宇宙中常见生命的关键。它们总是亮的一面和总是暗的一面的排列导致了迷人的天气和不寻常的地表条件。这些特征可能使位于宜居带内的眼球行星成为孕育生命的主要候选者,但它们也可能使原本宜居的行星变得不宜居。

海洋之眼
行星在恒星周围凝聚后,会有一些自转。但随着时间的推移,母恒星的引力会拉扯着这个世界,减缓行星的自转,直到它被潮汐锁定。在我们自己的宇宙前廊就有这样一个同步旋转的好例子: 月球每月绕地球公转一圈,以同样的时间绕其轴心自转一圈。这意味着我们总是能看到月球的同一面孔。
天文学家注意到,在宜居带中,被水覆盖的潮汐锁定世界会从晨昏区(永夜的边缘)开始结冰,而在日下点(直接面对恒星的点)附近,海水会保持清澈,这就是眼球行星的最初名称。这个被海冰包围的深蓝色中央海洋就像一个眼球。
随着天文学家在过去 30 年中不断发现系外行星,他们意识到眼球行星在行星系中可能比比皆是,各种各样的世界都可能呈现出眼球的形态。一个常见的例子就是超级地球,它们比地球大,但比海王星小。
位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家艾莉森·扬布拉德(Allison Youngblood)一直在利用哈勃太空望远镜研究在红矮星附近运行的超级地球。她说:“有一些证据表明超级地球有厚厚的大气层,还有一些大气层很薄,或者根本没有大气层,”但观测结果表明,许多这样的世界 “非常多云朦胧”。这将使发现生命诞生变得困难,但一些天文学家认为,在适当的情况下,超级地球最有可能在太阳系外存在生命。

其中一种情况是在眼球超级地球上。这些世界很可能被广阔的海洋所覆盖。在永夜面,行星处于地球北极环境,而永昼面则热浪滚滚,热量烧掉了云层,在极端情况下,海洋本身也会被烧掉。这种行星是否宜居决于很多因素,包括昼夜温度、母恒星的活动、行星大气的密度,甚至海洋的咸度。
碰巧的是,我们的星际后花园就有一个主要的宜居目标。比邻星b是一颗 “眼球 ”超级地球,它的轨道位于半人马座比邻星的宜居带内,而半人马座比邻星是距离我们太阳系最近的恒星。2017 年发表在《天体生物学(Astrobiology)》上的一项研究对系外行星的潜在气候进行了建模,假设了各种条件。研究人员得出结论认为,比邻星b “大气层与现代地球大气层相似,可以拥有宜居的气候,并有广阔的开放海洋区域,一直延伸到永夜面”。
海洋能延伸多远取决于水中的含盐量,但即使是高盐度的海洋,比邻星b理论上也能孕育生命。只要看看地球上臭名昭著的死海就知道了,在那里,尽管盐浓度超过了30%,生命还是找到了繁衍生息的方法。因此,在这种情况下,比邻星b上同样存在嗜盐细菌并非不可能。

2019年发表在《自然·天文学(Nature Astronomy)》上的一篇论文指出,由于海冰动力学的原因,比邻星b下方的海洋可能会结冰。在模拟比邻星b的条件时,研究人员发现,当海冰漂移到较温暖的水域时,冰在融化时会冷却海洋。渐渐地,越来越多的海洋结冰,甚至在永昼面的也是如此。此时,只有大气中含有大量温室气体,才能防止全球冰封。
但是,根据科罗拉多州博尔德大气与空间物理实验室副研究员埃里克·沃尔夫(Eric Wolf)的说法,其它模型显示的情况恰恰相反。正如冰可以从寒冷地区漂移到温暖地区一样,加热的海水也可以作为热量的运输工具,从温暖地区运输到寒冷地区,并融化冰层,从而使气候变暖。沃尔夫说:“根据不同的细节,气候可以是2019年研究所显示的寒冷、冰冷状态,也可以是类似金星、炎热、以二氧化碳为主的世界,甚至可能像土星的卫星土卫六一样,有甲烷和雾霾。” 他补充说,更不用说如果把大陆也包括进来的话,“所有的赌注就都没了,因为大陆的存在和位置会极大地改变海洋传输的模式”。
因此,即使一颗眼球行星位于宜居带内,它的表面也可能从一望无际的海洋到冰冻的荒原,变化万千。
特拉比斯特-1e(TRAPPIST-1 e)

距离地球:41 光年
质 量:0.69 M⊕
半 径:0.92 R⊕
公转周期:6.1 天
作为最著名的恒星系统之一的成员,特拉比斯特-1 e 是围绕特拉比斯特-1的七颗系外行星之一。其中几个世界可能是眼球行星。不过,虽然所有行星都可能有水,但只有三颗行星位于母恒星的宜居带内。
炽热、明亮的早期恒星阶段可能导致所有演化中的行星看起来都像金星:早期的海洋早已蒸发,只留下厚厚的、不宜居的大气层。但根据2018年发表在《天体物理学杂志》上的一项研究,特拉比斯特-1 e最有可能成功保留了水,甚至可能拥有类似地球的海洋。
所有七颗特拉比斯特-1行星都具有相似的密度,这使得该系统与我们的系统截然不同。这种相似的密度表明这些行星也都具有相似的组成成分。詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)将进一步探测这些系外行星的大气层,寻找可能暗示生命存在的元素。

坚硬的岩石地方
超级地球的眼球行星是被海洋覆盖的球体,包裹在浓密的大气层中,而较小的潮汐锁定类地世界的表面则是岩石。当母恒星在头顶闪耀时,沙漠就会覆盖整个地貌。在靠近夜晚的地方,环境会变得更加清爽,也许在那片晨昏区域会有液态水。同样是在晨昏区域内,如果行星有足够的大气层和强劲的风流,表面可能会保持在冰点以上。但如果空气稀薄或停滞,温度就会急剧下降,即使这颗行星位于恒星宜居带的内边缘。
然而,就宜居性而言,这些较小的眼球行星面临着比温度更大的问题:大气侵蚀。大气层对于生命的生存至关重要,但是,这些小行星的轨道靠近它们的红矮星,它们面临着凶猛的恒星风,即使是最稠密的大气层也会被带走。NASA戈达德太空飞行中心的系外行星专家阿维·曼德尔(Avi Mandell)指出:“总有一些大气层会被侵蚀——由于我们的太阳,地球一直在失去一些大气层。但是,如果从行星内部泄露出来的气体补充得不够快,大气层可能会失去维持生命所需的化合物,或者干脆完全蒸发掉。
扬布罗德(Youngblood)认为,大气损失的多少取决于发生的是哪种大气逸散。最麻烦的逸出被称为流体动力逃逸(hydrodynamic escape)。如今,只有少数不同的原子从大气层顶部逃离地球。但是,在流体力动力逃逸的情况下,涓涓细流变成了滔滔江水,逸出的原子就像流体一样,拖着较重的原子和分子一起逸出。这种大气逸出最终是由热量驱动的,一旦行星达到这一点,就无法阻止大气被侵蚀。研究人员认为,这种现象可以解释为什么行星大气中的氧气、氮气和较重的惰性气体会神秘地消失。
但是,有一些方法可以避免这种失控的损失,给小型眼球行星上的生命带来一线生机。金星和地球很可能在其进化早期就出现了流体动力逃逸,但它们今天仍成功保留了厚厚的大气层。根据杨布罗德的说法,减轻大气侵蚀“部分取决于大气层的组成——大气中存在哪些原子或分子能够吸收驱使逃逸的恒星辐射”。
40光年外的一个小眼球世界的各种大气状况就是一个例子。特拉比斯特-1(TRAPPIST-1)系统因拥有七颗类地系外行星而闻名于世。根据2017年发表在《天体物理学杂志通讯(The Astrophysical Journal Letters)》上的一项研究,特拉比斯特-1 e是其中的一个小型眼球行星,也是最有可能适合人类生存的世界。

该研究模拟了这个世界在各种大气条件下的样子。如果没有温室气体,特拉比斯特-1 e将是一个寒冷的世界,但即使只有稀薄的大气层,这个世界也能在日下点保持宜居状态。如果这个行星上有类似地球的大气层,那么它的条件就会变暖,但随着更多的二氧化碳被注入模型大气层,它很快就会变得不宜居。
因此,在适当的条件下,即使是大气层受到挑战的眼球系外行星也可能包含宜居区域。
巨蟹座 55 e
距离地球:41 光年
质 量:7.99 M⊕
半 径:1.9 R⊕
公转周期:0.7 天
巨蟹座 55 e环绕着一颗名为哥白尼的恒星(也被称为巨蟹座 55 A,或简称巨蟹座 55)运行,由于其表面熔融,温度超过3000华氏度(1600℃),因此不适合人类居住。
当这颗行星首次被发现时,研究人员认为它的主星碳氧比很高,这可能表明巨蟹座 55 e被一层厚厚的钻石覆盖着。但进一步的分析表明,巨蟹座 55 A所含的氧毕竟多于碳,从而排除了这一令人遐想的可能性。

比邻星 b
距离地球:4.2 光年
质 量:1.27 M⊕
半 径:估计是1.08 R⊕
公转周期:11.2 天
半人马座比邻星 b——通常简称为比邻星 b——是通过比邻星本身的微小摆动发现的一颗超级地球。当这颗恒星被它那颗看不见的行星拉向我们和远离我们时,它的光线就会分别转向光谱的蓝色端和红色端。比邻星还拥有另外两颗行星。
比邻 b 很可能是一个大型的类地世界,它位于恒星的宜居带内。但这颗行星受到的紫外线辐射可能比地球从太阳受到的辐射大几百倍。这种辐射可能已经带走了比邻星b的大气层。
即使比邻星b真的有大气层,也很难建立行星表面的模型,因为科学家不知道它的半径。大多数系外行星都是通过凌日法发现的——当行星恰好从恒星前方经过时。这种技术也能让研究人员测量系外行星的半径。但已知比邻星b不会凌日,所以它的半径是未知的。

詹姆斯·韦伯太空望远镜:检眼镜
眼球专家现在有了一个新工具:詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)。系外行星研究员海蒂·哈梅尔(Heidi Hammel)是 JWST 团队的成员之一,她期待着这个强大的天文望远镜带来新的发现。她说:”韦伯的强项是大气化学;它将与哈勃太空望远镜的工作相辅相成。哈勃的观测范围从紫外线到近红外,但韦伯对红外线的另一部分非常敏感。
研究人员已经计划利用 JWST 观测几颗眼球行星候选者。在某些情况下,韦伯将在行星穿越恒星时对其进行观测。当一颗行星在恒星前方移动时,不仅可以发现这颗行星,还能确定其大气层中存在哪些分子。就像行星的固体表面会阻挡星光一样,大气层中的分子也会吸收来自太阳的光线,从而使我们从恒星接收到的光谱出现偏差。研究这些缺失的星光波长可以让科学家深入了解行星大气层的化学成分。
在其他情况下,JWST 将在行星从恒星背后经过时对其进行观测,这是一种有效的技术,可以测量系统的总光有多少被行星的昼面反射。这可以让研究人员深入了解一个世界的化学成分及其温度。
目前,随着科学家们超越他们过去使用的严格的以地球为中心的模型,气候模型可能会有很大的不同。有了来自 JWST 的新数据,科学家们就能对适用于眼球行星的大气模型施加更多限制,从而更好地了解行星表面可能存在的条件。
JWST 已经计划对许多眼球行星进行研究,哈梅尔称之为“常见的嫌疑犯”。她说:“任何你能说出名字的系外行星系统都是韦伯的目标——比如特拉比斯特-1(TRAPPIST-1)行星系或巨蟹座 55 e(55 Cancri e)——所以名单上大约有68颗系外行星,包括五六颗位于宜居带的地球大小的行星。其中一些是候选眼球行星。
虽然条件与地球不同,但外星生命可能存在于这些奇异的天空之下。它们可以看到各种各样的地貌:冰冻的荒原、崎岖的山脉、干涸的沙漠,或者从地平线到地平线的海洋。只有时间才能告诉我们,在红矮星太阳愤怒的光辉下,生命会呈现出怎样奇特的形态。
LHS 1140 b

距离地球:48.8 光年
质 量:6.4 M⊕
半 径:1.6 R⊕
公转周期:24.7 天
2017 年发现的 LHS 1140 b 很有希望成为一颗类地系外行星,原因有几个。LHS 1140 b距离恒星0.1天文单位(AU,1 AU是地球与太阳的平均距离),位于宜居带内,从恒星接收的辐射是地球从太阳接收辐射的46%。
根据2017年发表在《自然》上的一项研究,熔岩海洋可能会覆盖这颗行星的表面。然而,熔岩非但不会阻碍行星的宜居性,反而会向LHS 1140 b的大气层输送蒸汽,为这颗行星补充水分。2020年发表在《天文学与天体物理学(Astronomy and Astrophysics)》上的一项研究表明,LHS 1140 b的宜居性取决于其大气层的成分——生命可能能够在以氮、氢和二氧化碳为主的大气层中生存。
研究人员希望利用 JWST 进一步了解 LHS 1140 b 的大气层。
作者: Michael Carroll,发布于2022 年 8 月 22 日。
原文地址:The strange case of eyeball planets (astronomy.com)