科學家發現"超級地球" 傾角消失可扼殺生命

地球上的四季變更是由繞太陽公轉時自轉軸的輕微傾斜所引發


地球上的四季變更是由繞太陽公轉時自轉軸的輕微傾斜所引發    

        據國外媒體報導，地球上的四季變更是由繞太陽公轉時自轉軸的輕微傾斜所引發。據位於德國波茨坦的萊布尼茲天體物理學研究所博士後研究員勒內·海勒（Rene Heller）認為：天體生物學家在對外星生命可能性進行分析時應該重視行星自轉軸這個變數所起的的作用。季節和自轉軸傾角是系外行星可居住區的重要因素，但卻基本被忽視。對此，海勒和他的同事在最近發表的論文中研究了恒星與行星之間的引力作用最終是如何“抹平”行星自轉軸傾角。
　　這項研究發現對外星生命的可居住區研究並不是個好消息，且目前對可居住區判定的最大影響因素是是否具有適宜的溫度使水保持液態。根據電腦類比結果，在紅矮星周圍的類地行星，其自轉軸的傾角將很快被“抹平”。短時間內傾角的消失意味著生命沒有機會在失去溫度調節的行星上存活下來。一個典型的例子便是Gliese 581d系外行星，它曾被認為是最適合生命生存的行星之一。
　　另一方面，系外類地行星如果圍繞類似太陽的恒星公轉，情況就會好很多。這些世界應該不會看到它們的自轉軸被“抹平”到危險的程度，至少在經歷數十億年後生命出現並演化成高級文明。這個情況的例子是美國宇航局開普勒太空望遠鏡發現的開普勒22b，是第一個被發現與地球大小接近的、可居住區內的行星。我們地球自轉軸的傾角目前約為23.5度，在漫長的地質變遷過程中其可能會發生變化。行星的黃赤交角受到許多因素的影響，包括太陽系早期的歷史因素，受到恒星引力影響的其他行星的軌道路徑。
　　季節的產生源於行星圍繞恒星公轉時，自轉傾角導致了恒星發出的光照強度呈現週期性的變化。比如，在北半球的冬季時，地球的自轉軸指向遠離太陽方向，直射點出現在南回歸線。傾斜的自轉軸使得太陽光照射到地表時與大氣存在夾角，有效削弱了部分能量，使光照分佈顯層次感，且全天日照時也有所變化。與此同時，直射點在南半球使得日照時間更長。太陽引力的拖拽效應在具有自轉軸傾角的地球表面表現得更加充分。總體而言，地球自轉軸傾角使地表溫度均勻分佈，最高溫度與最低溫度的差值不會超過200華氏度。
　　如果地球或類地行星自轉軸沒有傾角或者傾角小於5度時，行星赤道區域將首當其衝受到來自恒星強烈光照，兩極地區由於缺少光照變得更加寒冷，溫度不呈現季節性起伏，這種情況的結果便是溫度嚴格按沿著緯線方向梯度分佈（忽略地貌對溫度的影響），海勒研究員認為這是從一個溫暖的世界跌入世界末日，赤道異常高溫，而兩極卻天寒地凍。從理論上說，中緯度地區的溫度適宜生命的生存。但是，海勒認為最壞的情況是零自轉軸傾角的行星大氣發生崩潰。氣體在赤道地區蒸發上升，並在兩極地區降溫下沉。
　　海勒研究員和他的同事們通過計算發現，系外行星Gliese 581d可能遭受到這樣的命運。他們模擬了恒星與行星之間發生的“引力舞蹈”，結果表明行星自轉軸可能在這種情況下會出現任何值。兩個天體之間的偏心率使得行星受到來自恒星扭轉力的作用，隨著時間的推移，這種機制會強制行星進入零傾角的姿態，而自轉軸能否在相當長的時期內保持適宜的傾角是生命發展的一個關鍵因素。在早期地球，大約花了10億年時間才出現了細菌，更複雜的生物諸如人類則是又經過了大約35億年才出現，而且僅是學會了如何在洞穴上刻圖案。
　　根據當前的理論分析，即便位於恒星可居住帶內的類地行星，只要這顆恒星的品質只有太陽品質的四分之一，僅需不到一億年的時間，行星的黃赤交角就會被“抹平”。那需要什麼樣的條件才能維持適宜的傾角呢？科學家認為只有位於可居住帶內的具有陸地表面的岩質行星，且恒星品質大約在90%的太陽品質，這樣可維持系統內部行星的自轉軸傾角超過10億年。
　　宇宙中被寄予厚望的“超級地球”（品質大約是地球的10倍），所圍繞的紅矮星會使它們的自轉軸傾角迅速消失，比如Gliese 581d系外行星，其所圍繞的恒星只有31%的太陽品質。更不幸的是，科學家估計這顆恒星的年齡大約是太陽的兩倍，也就是90億歲。因此，Gliese 581d應該在很久以前就失去了它的自轉軸傾角。
　　對“超級地球”上任何生命形式而言，更糟糕的情況是在它們行星自轉軸被“抹平”後，行星自轉速率也變得慢了下來，不僅失去了季節，同時這個世界還會出現“潮汐力鎖定”，即Gliese 581d將變成只有一面朝向它的恒星。很明顯，另外一面將進入永久冰凍的夜晚。
　　對此，海勒認為位於類似太陽這樣恒星周圍的具有可居住潛力的行星，它們與恒星之間都存在著潮汐力的作用。和紅矮星相比，這些可居住區與恒星之間的距離大約是前者的兩至三倍，在這個距離上，潮汐力是很弱的。
　　這意味著類似Kepler-22b這樣的類地行星可以擁有比較經典的一年四季，海勒的研究結果顯示這個星球上存在初始狀態的自轉軸傾角，因此可以體驗到季節的變化。但是，相當多的天文現象可以改變行星的自轉，包括衛星和其他行星引力的影響。在我們太陽系中的大塊頭木星引力就可以干擾其他行星的自轉軸傾角。研究表明，正是月球相對較大的品質在一定程度上平衡了其他行星引力對地球影響，限制了軸向的擺動，並在相當長的時間內保持傾角的穩定。
　　與此相反，木星的強大引力肆虐著火星的自轉軸傾角，導致其在過去的一百萬年內出現高達60度的變化，使得火星全球氣溫和冰川覆蓋出現大範圍波動。適宜居住的世界則可能因為氣候的亂序導致生命進程的結束。
　　哥倫比亞大學多學科天體生物學中心主任凱勒（Caleb Scharf）認為：即便紅矮星周圍的行星存在“大月亮”，但由於過於靠近昏暗的恒星，可能會破壞其衛星的軌道。計算天體之間引力長期相互作用的條件是苛刻的，現在，要想知道“超級地球”Gliese 581d以及開普勒 22b的真實狀態還需要等待。總的來說，自轉軸的傾角是一個非常重要的變數。

 

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