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科学家认为系外行星的自转轴倾角是判别是否适宜生命生存的条件之一

时间:2017年03月05日 15:17 | 标签:宇宙奥秘系外行星

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研究显示具有高倾角的系外行星同样可能是宜居的,但前提是它必须被一个全球性海洋所覆盖。

科学家认为系外行星的自转轴倾角是判别是否适宜生命生存的条件之一 宇宙奥秘 第2张图

火星自转轴倾角在12.4万年周期上的变化。

截至目前,科学家们已经在太阳系以外发现了超过2000颗系外行星。至于这其中有没有哪些系外行星是适宜生命生存的,这还需要取决于一系列的判别条件,而科学家们认为这颗行星的自转轴倾角便是这些判别条件的其中之一。

所谓自转轴倾角是指行星的自转轴与其公转轨道面之间的夹角。以地球为例,地球的自转轴倾角较小,其自转轴与围绕太阳的公转轨道面几乎是垂直角度。然而科学家们怀疑系外行星可能会具有非常多样化的自转轴倾角类型,从垂直到几乎相互平行都有可能。一般认为,自转轴的倾角越大,那么一颗行星拥有宜居环境的可能性也就更低。

而现在,美国麻省理工学院的科学家们发现,即便是一颗具有高倾角的系外行星,即其自转轴几乎与其公转轨道面平行的情况,同样有可能拥有适合生命生存的环境条件,前提是这样一颗行星必须完全被海洋所覆盖。

大卫·法雷拉(David Ferreira)此前是美国麻省理工学院地球,大气与行星科学学院(EAPS)的一名研究科学家,他指出,如果光从表面上看,一颗行星如果拥有较大的自转轴倾角,那么它的环境条件将会相当极端:如果整个星球“躺在”轨道面上,那么随着它围绕太阳运行,它的北极在一年中将有半年的时间会接受阳光的直射,随后是连续六个月的黑暗。

法雷拉目前在英国雷丁大学担任讲座教授,他表示:“一般的预期是认为这样的行星将是不适合生命生存的:要么沸腾,要么冰封。对于生命而言这样的环境太过极端了。”他说:“但我们发现海洋会在夏季储存热量并在冬季逐渐释放出来,这样一来季节将会变得温和许多,即便是在最寒冷的北极冬季也会变得不那么严酷。因此在搜寻系外宜居行星时,我们认为不能简单的将那些具有高倾角的行星目标排除掉。”

有关这一研究组最新成果的文章已经刊载于《伊卡鲁斯》杂志上。这篇论文的合著者除了法雷拉之外,还有在麻省理工学院地球,大气与行星科学学院以及物理学院担任教授职位的萨拉·赛格尔(Sara Seager),同样来自MIT的行星与地球科学教授约翰·马歇尔(John Marshall)以及EAPS的助理教授保罗·奥戈曼(Paul O'Gorman)。

大倾角的宜居行星

法雷拉和他的同事们利用一种由MIT开发的模型来模拟一颗具有高倾角的“水行星”——具有地球相似的大小,距离恒星的距离与日-地距离也相当,并且整个表面完全被海洋覆盖。这一三维模型的设计模拟了大气,海洋以及海冰的运动模式,并在计算中考虑了风和热量输送对一个3000米深全球性海洋的影响。作为对比,研究人员也将这一大气模型与更加简单化,仅考虑静止情形的“沼泽”海洋模型进行了对比,并考虑后者在不同深度上的情况,分别设置200米,50米以及10米的沼泽深度进行考察。

研究人员运用这一详细模型去模拟一颗行星在三种不同自转轴倾角下的情形,分别设置的假想值分别为:23度(与地球接近),54度以及90度。

对于极端情况,即90度倾角的情况,他们发现一颗具有全球性海洋——即便其深度只有50米,也将能够在其极地夏季期间吸收足够多的太阳能并在冬季严寒时释放出来,从而帮助维持一个相对较为温和的环境条件。于是,作为整体来看,这颗行星将会全年都拥有类似春天的温和气候。

法雷拉指出:“我们此前预期如果一颗行星上拥有海洋,那么它的环境将会变得更加宜居,但并没有到这样的程度。因此我们非常惊讶地发现模拟结果显示,一个拥有全球性海洋的高倾角行星,甚至在其极地地区都仍然是适合生命生存的。”

失控的“雪球地球”

总体而言,研究组发现生命是有可能在一个具有高倾角的系外行星上生存的,但这是有条件的。在模拟中,法雷拉研究组发现一个太浅的海洋,比如说深度仅有10米的海洋将不足以承担起调节整个高倾角行星整体气候的重任,反而会让这个星球陷入失控的恶性循环:在这样一个浅海中一旦有少量海冰形成,它将迅速向黑暗半球区域扩展。即便当这一半球转向向阳面也无法遏制这一趋势的蔓延,因为那已经太迟了——大面积的海冰将反射大量太阳光,从而导致海水无法吸收足够的热量,于是海冰继续扩展,最终覆盖整个星球。

法雷拉指出表示:“一些人认为高倾角系外行星可能只会在赤道区域产生海冰,而在极区可能是温和的。但我们的研究发现并不存在中间状态。如果那里的海洋体量太小,整个星球将会迅速陷入难以抑制的冰冻状态,于是很显然它也就不再拥有宜居的环境了。”

戴伦·威廉姆斯(Darren Williams)是美国宾夕法尼亚州立大学物理学与天文学教授,他表示过去的气候模型已经证明在高倾角行星上可能会出现多样化的气候模式,这主要取决于其表面的海洋与陆地面积大小。而此次法雷拉研究组的成果也得到了相似的结论,但在细节上更进了一步。

威廉姆斯表示:“每1000颗系外行星中大约有1~2颗大小与地球接近,并且密度与水相当,因此我们可以说那种全球被深海覆盖的系外行星存在的概率至少有0.1%左右。于是我们得到的结论便是:那些具有高倾角的系外行星并不一定是生命的禁区,它们同样应当是开展天体生物学研究有趣而重要的目标。”


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