潮汐锁定的行星如何能避免大冰冻命运？

根据一项研究，在可居住恒星宜居带中，潮汐锁定的行星也许能够避免全球冰河时代的到来，这一研究为冰的形成和反射阳光的方式提供了模型。与此同时，另一项研究发现，倾斜强烈的行星更有可能经历突然的冰河时代。在恒星周围的“宜居带”，在地球表面的地球表面，它的温度足以让液态水存在，这一直是评估其他星球生命潜力的黄金标准，但随着我们对天体生物学的理解加深，科学家们正在寻找其他可居住的线索。即使是在一个行星或月球处于可居住带的位置，在外星世界形成条件的日子、夜晚和季节也会与地球截然不同。

“大冰冻”星球的概念图，图片：NASA

一个限定词是行星的轴向倾斜，也被称为倾斜。地球相对太阳的旋转角度为23.5度，这意味着大部分的阳光会照射到赤道，而两极非常冷，形成了冰盖。然而,地球倾斜在超过55度可能会形成一个赤道冰带,以及两极,将在夏天非常热,非常寒冷的冬季,所以生活在极地地区将不得不适应极端高温和寒冷。或者一颗外星行星或月球可能会与它所环绕的任何物体产生共振，因此它进行一次旋转所需的时间长度与它环绕它的母体所花费的时间完全相同。这样做的后果是，行星或月球会变得“潮汐锁住”，并且有一面总是面朝远离它的恒星，另一面总是在阳光下。例如月亮潮汐地锁在地球上，这就是为什么我们总是在月球的近旁看到熟悉的“人”的原因。

这些差异影响着这些世界是否足够温暖，足以拥有流动的水，或者它们是正在经历全球冰河期的冰冻雪球。就连地球这个地球上唯一有生命的星球，在其地质历史上也在走向冰冻的极端。芝加哥大学的行星科学家Jade Checlair和她的同事们研究了在可居住带中潮汐锁住的行星是否会进入冰雪覆盖整个表面的雪球状态。他们关注的是被称为红矮星的又小又暗的恒星，红矮星是宇宙中最常见的恒星。因为红矮星，也被称为m -矮星，是很冷的恒星，它们的可居住区域相对较近，甚至比水星离太阳的距离(约5800万公里)要近得多。当一颗行星在离恒星非常近的轨道上运行时，它的引力就会迫使这个世界被潮汐锁住。

挪威北极圈内的斯匹次卑尔根群岛，雪球世界的整个表面都有这样的冰冻地形。图片：Thomas A. Brown and Simon T. Belt

希望发现并能够研究的大部分行星将围绕m -star运行，他们中的许多人将居住至少一个地球大小的星球。 虽然经过滚雪球式的过程可能会“根除地球上已经存在的复杂动物生命，但地球在大约7.5亿至6.35亿年前这一戏剧性转变的经历带来了氧气和复杂生命的增加。复杂生命的增加被认为是由于氧气的增加和由滚雪球的状态所造成的进化压力造成的。例如，在地球上的雪球状态下，冰冻的温度和其他严酷的条件可能会对生命产生强大的压力，使其要么适应，要么死亡。这种进化压力可能导致了复杂生物的发展，它们互相竞争资源，对适应或死亡施加更大的压力。

然而Checlair和她的同事发现，在可居住区域内潮汐锁定的行星可能不太可能进入滚雪球状态。科学家们在《天体物理学杂志》上详述了他们的发现。为了得出他们的结论，研究人员开发了一种全球气候模型，描述了一颗类似潮汐的类地行星，位于宜居带。他们关注的是这颗行星从它的恒星吸收了多少光，以及有多少光被反射回了太空。科学家们发现，由于冰在地球表面堆积的方式，雪球状态不会突然发生。相反，他们的模型表明，它将顺利地从部分冰盖过渡到完全冰盖，然后再回来。此外，活跃的碳循环——碳是一种强大的温室气体——可以帮助潮汐锁定的行星避免完全的冰川化。目前还不清楚，一个滚雪球的状态是否会更有害或者更有利于生命在宜居行星上的存在，它肯定对宜居性有影响，但还需要进一步研究，以确定这种影响是积极的还是消极的。

外星的轴向倾斜

一项研究中，纽约奥尔巴尼大学(University at Albany)的气候动力学家布莱恩·罗斯(Brian Rose)研究了居住区内具有一系列轴向倾斜的外星行星。他和他的同事们想要知道，在适宜居住的区域内，那些高不稳定的行星是否能在赤道附近拥有稳定的、长寿命的冰带，以及其他可能对这些行星产生重大影响的结果。例如高倾角行星的极地区域在夏季会持续数天的日照，在冬季则会持续数天的黑暗，因此“所有的光合生命都必须很好地适应这种强烈的季节性机制。罗斯的团队开发了一个全球气候模型，可以模拟许多不同的天体。

在红矮星周围的宜居带中运行的行星经常被发现是潮锁的，所以它们的一天和它们所在的年份一样长，而且它们的自转速度意味着它们总是向它们的恒星展示同样的一面。图片：David A. Aguilar (Harvard CfA)

这些模型还模拟了雪、冰、水和陆地在不同纬度上反射光线的方式，以及大气和洋流从地球的暖区向冷区移动热量的方式。研究人员发现，任何适合居住的世界都可能很少拥有赤道冰带。有可能适合居住的行星，具有55度或更高的高度，可以从完全不结冰的状态转到完全由冰覆盖的状态。罗斯和他的同事还在《天体物理学杂志》上发表的一篇论文中详细阐述了他们的发现。这些结果令人兴奋的是模型的简单性，它让我们能够以一种简单而有组织的方式探索可能存在的行星特征的广泛变化。科学家们发现，在高倾斜度的世界，无冰的极地冰帽通常吸收的光比覆盖在冰层上的赤道地区反射的光线要多，这就造成了气候变暖，容易破坏冰带的稳定性。

他们发现，极地冰盖的数量应该是赤道冰带的三到四倍。稳定的冰带是可能的，但相对来说比较罕见，这需要行星特性的‘恰到好处’结合。可能适合居住的行星有很大的不确定性，可能“在全球雪球和完全无冰的条件之间发生剧烈的气候变化”。这颗假想的行星或多或少适合于生命而不是地球？罗斯的共同作者Cecilia Bitz得到了NASA天体生物学项目NASA天体生物学研究所的资助。与此同时，Checlair的工作得到了美国宇航局“可居住世界”计划的支持。NASA的天体生物学为可居住的世界提供了资源，并为NASA科学任务理事会(SMD)的其他研究和分析项目提供了相关的研究和分析项目。

博科园-科学科普｜文：Charles Q. Choi/Space