潮汐鎖定星球的「中間地帶」可能孕育生命形式

據國外媒體報導，潮汐鎖定的星球非常特殊，一側永遠是白天，另一側永遠是夜晚。然而，科學家最新研究稱，這樣的星球可能具備孕育生命的條件。浩瀚宇宙非常奇特，對於一些星球，會看到「太陽」永遠不會升起或者落下，如果一顆行星繞軸旋轉一次所需時間與繞主恆星公轉一周的時間相同，那麼站在該行星表面就會看到主恆星始終靜止不動，這樣的行星僅有一側朝向主恆星，該情況叫做「潮汐鎖定」。

潮汐鎖定行星僅能一側朝向主恆星，這將影響該行星的氣候系統。圖中藝術家描繪的系外行星猶如一顆巨大的眼球，行星光亮一側是液態海洋，黑暗一側覆蓋著冰冷外殼。

潮汐鎖定行星是「雙面世界」，一側總是白天，而另一側是永恆的夜晚。兩側之間邊界是永久微明的細環區域，這裡的「太陽」可能持續升起，也可能持續不升起，但該區域光亮微明，比永恆的黑夜更亮一些。太陽系許多星球都處於潮汐鎖定狀態，其中包括：月球，其他太陽系中環繞主恆星運行的系外行星也可能是潮汐鎖定。

多數潮汐鎖定行星不適宜居住，一側被主恆星烘烤，另一側處於冰凍之中。天文學家對此類行星非常好奇，他們像科幻小說愛好者一樣，一直思考此類行星是否可以孕育生命。目前，複雜的計算機模型和最新數據正在揭示這些潮汐鎖定星球的大氣層，這些研究將進一步證實——可能一些星球適宜生命存活。

英國牛津大學物理學家雷蒙德·皮爾霍姆博特說：「潮汐鎖定沒有什麼特別糟糕的，永恆白天的區域是非常好的棲息地，可以孕育許多生物。」

旋轉變慢

最鄰近的潮汐鎖定星球只需觀測月球即可，我們的月球與地球保持潮汐鎖定狀態，受地球引力幹擾作用，數百萬年的時間裡月球旋轉速度已變慢。就像月球引力對地球海洋的作用，產生海洋潮汐，恆星引力對環繞的巖石行星產生影響，形成巖石隆起區域。

當引力作用使一顆天體自轉變慢或者加速時，它就會潮汐鎖定母天體（圖中一顆行星潮汐鎖定在它的主恆星），在這種情況下，繞軌道運行的天體總是與它的母天體「鎖定一側」，我們的月球被地球引力潮汐鎖定，科學家猜測許多環繞恆星運行的系外行星也可能被潮汐鎖定。

如果一顆行星自轉速度比它環繞恆星的速度快或者慢，那麼行星隆起部分就會稍微偏離中心。隨著時間的推移，恆星引力對偏離中心的隆起部分的拖曳作用將逐漸減緩或者加速行星自轉，直到它們達到平衡：行星每環繞恆星旋轉一次，恰好環繞軸心自轉一次。

這種潮汐效應在距離它們軌道非常近的行星上最為明顯，這就是為什麼月球潮汐鎖定在地球，而地球卻沒有潮汐鎖定在太陽。

冥王星和冥衛一也是潮汐鎖定星球，兩顆星球一側始終朝向彼此，它們軌道非常鄰近，體積大小也非常接近，以至於潮汐力導致它們自轉同步。

冥王星和冥衛一處於潮汐鎖定狀態。通常情況下，一個繞軌道運行的天體與另一顆較大天體潮汐鎖定，但是冥王星和冥衛一體積接近，並且軌道距離很近，所以它們保持潮汐鎖定狀態。

美國麻省理工學院行星科學家丹尼爾·科爾稱，儘管天文學家掌握潮汐鎖定星球的確切數量，但「基本預期」是，許多系外行星以該方式與它們的恆星彼此相連。

多數潮汐鎖定星球都是「與眾不同」的，一側被高溫烘烤，另一側被冰凍。以大型巖石行星55 Cancri e為例，它每隔18小時環繞類太陽G型恆星運行一周。

在近期發表的《流體力學年鑑》中，皮爾霍姆博特描述了潮汐鎖定星球的大氣層，他說：「它太熱了，在『白晝一側』會形成永久巖漿海洋，巖石蒸汽將蒸發到大氣層中，然後在靠近『黑夜一側』附近區域凝結，因此該星球的雨水是由一氧化矽等物質構成。」

空氣和水

在上個世紀，天文學家錯誤地認為金星可能處於潮汐鎖定狀態，1903年，一份研究報告指出，在兩個永遠僅有白晝和黑夜的獨立區域之間，肯定存在一片廣闊的玫瑰色朦朧地帶，這裡的氣候條件可能非常適合智慧生物存在。

美國芝加哥大學地球物理學家多裡安·阿博特說：「科幻小說曾出現過『過渡帶』宜居性的樂觀看法，小說中描述潮汐鎖定行星的光明面和黑暗面之間的區域足夠溫暖，可讓水以液態形式存在，或許還能讓生命存活下來。」

研究人員對以上理論提出了質疑，天文學家稱之為「終結者」的過渡帶對於需要陽光生存的生物體而言是非常貧瘠的，但如果保持適當的大氣層，可能就不需要一個過渡帶來支持生命。

大氣層將熱量輸送到行星周圍，為液態水（或許還有生命）的廣泛傳播創造了條件，阿博特稱，液態水或者地外生命不僅在「終結者」過渡帶，它們將到處都是。

這裡有一個宜居平衡點：大氣層密度必須足夠大，才能輸送熱量，但又不能密度大到讓人窒息。相反，如果黑暗的一側變得太冷，它可能會凍結空氣，佔據整個大氣層。

圖中是從地球上空拍攝的黃昏，呈現從白天到夜晚的逐漸過渡，吸引著人們的想像，他們認為系外行星的過渡地帶可能存在地外生命，這裡有生命宜居的大氣層，可能是系外行星最有可能存在生命的區域。

2016年，阿博特和科爾設計一項模擬實驗表明，正確的宜居平衡點是可以實現的：一些潮汐鎖定的系外行星可以保持「恰好合適」的大氣層，這些大氣層可以有效地將熱量轉移，甚至使黑暗一側保持溫暖。

科爾說：「這是很奇怪的，雖然這將是永久黑夜，但仍可能存在類似地球的生命宜居條件，以地球兩極為例，那裡雖然陽光稀少，但不乏生命存在，地球兩極的氣溫不會極度寒冷，很大程度上是因為風或者洋流運動重新分配了熱量。」

在地球上，海洋對於全球熱量循環扮演著關鍵角色：水比空氣更能儲存熱能，而且能更有效地將熱能傳遞出去。因此，海洋和大氣層對於潮汐鎖定系外行星的晝夜兩側恆溫效果發揮著重要作用。

哈佛大學研究系外行星大氣層的研究員馮丁說：「海洋會蒸發，促使大氣雲層形成，而雲層在調節行星環境方面也發揮著重要作用，當水蒸汽不斷聚集形成雲層，可作為一種反射毯，將入射的恆星輻射反射回來，有助於行星冷卻。」

一些計算機模擬表明，雲層可使溫度保持在足夠低的水平，促使系外行星形成海洋，否則這些星球表面會非常熾熱高溫，同時雲層可以形成降雨。在行星的白晝一側，在陽光最強烈的區域產生較強上升氣流，會將溫暖潮溼的空氣向上移動，最終形成暴雨。

陸地和生命？

降雨可以幫助調節潮汐鎖定系外行星的溫度，尤其是有陸地的星球，在地球上，雨水與裸露的巖石發生反應，以礦物的形式捕獲一些碳，並將其從大氣層中帶走，這有助於地球降溫。皮爾霍姆博特說：「隨著時間的推移，這種化學風化作用可使潮汐鎖定行星的二氧化碳水平處於可控範圍。」

他推測，其他大氣氣體也可使系外行星更適宜居住。例如：氮氣可將水分困在大氣較低位置，從而有助於防止水分流失。在大氣層中，氮氣暴露在較少的紫外線下，而紫外線會將水蒸汽分解為氧和氫，含氮大氣層將有助於維持液態海洋，對全球溫度調控具有關鍵作用。

科學家可以將這些變量輸入計算機模擬系統，但許多系外行星大氣研究都是推測性結論，潮汐鎖定天體的研究也不例外。首先，能夠證明所有這些變量真實性的數據很少。科爾說：「大多數系外行星的大氣天文學一直局限於那些看起來不太像地球的行星，它們的體積更大，經常被密集大氣層所覆蓋，例如：海王星和天王星。」

圖中是美國宇航局太空旅遊海報，呈現一顆系外行星環繞紅矮星TRAPPIST-1運行，天文學家認為，TRAPPIST-1系統中有7顆行星，它們都與該恆星保持潮汐鎖定。圖中太空旅客抵達的是TRAPPIST-1e，這顆行星位於恆星宜居帶，專家推測TRAPPIST-1e表面存在液態水。

但是使用最新勘測儀器，例如：美國宇航局凌日系外行星調查衛星（TESS）將顯著增大已探測到系外行星的數量。當2021年美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡發射時，儘管可能因為新冠疫情而推遲發射，未來科學家對該太空望遠鏡充滿期望，它將對系外行星進行更詳細的觀測，包括行星大氣層組成數據。

這些數據將幫助天文學家完善他們的模型設計，更好地理解任何行星適宜居住的條件，包括那些遙遠的、潮汐鎖定行星。有可能發現數萬億顆系外行星，其中一些星球存在能孕育生命的淺海，溫暖陸地可使許多爬行生物生長和活動，密度適中的大氣層可使飛行生物在空中自由飛翔。在持續存在外星太陽的永恆陽光下，生命能夠世代茁壯成長。