海冰運動“凍結”這些行星的宜居可能性

天聞頻道

説起系外行星，你可能會想到剛剛頒發的諾貝爾物理學獎。1995年，迪迪埃·奎洛茲和米歇爾·馬約爾兩位天文學家發現了第一顆圍繞類日恆星運行的系外行星。他們也憑此與詹姆斯·皮布爾斯共享2019年諾貝爾物理學獎。

迄今為止，科學家已經確認了4000多顆太陽系外行星。大家比較關心的問題是：這些系外行星宜居嗎？

關於這個問題的研究，有了最新進展。北京大學物理學院大氣與海洋科學系助理教授楊軍及其研究組最新研究發現，在海冰流動因素影響下，那些“疑似宜居行星”上的開放海洋麪積會不斷減小，冰雪覆蓋區域面積會不斷增大，最終導致這些系外行星進入全球冰雪世界。這無疑會影響“疑似宜居行星”的宜居性。這項研究日前發表在《自然·天文學》雜誌上。

被潮汐鎖相的系外行星

在科學家已經確認的4000多顆太陽系外行星中，有大約20顆行星值得特別關注。

“這20顆左右的行星，大小與地球差不多，接收到的恆星輻射也與地球接近，地表可能長期維持液態水存在。要知道，液態水是地球上所有生命存在的必需要素，也是判斷行星宜居與否的重要依據之一。”楊軍介紹，所以這些行星被稱為“疑似宜居行星”。

楊軍告訴科技日報記者，這些“疑似宜居行星”大部分圍繞質量比太陽小、温度比太陽低的紅矮星公轉，軌道半徑只有日地距離十分之一左右。因此，這類行星所受的潮汐力非常強，其軌道很容易進入潮汐鎖相狀態。

要想理解潮汐鎖相狀態，可以想想月球繞地球公轉的情形。

受潮汐力等因素影響，月球繞地球公轉一圈和月球自轉一圈的時間，都是28天左右。月球永遠只有一面朝着地球，另一面背向地球。

那些處於潮汐鎖相狀態的行星軌道，類似月球繞地球公轉的軌道：處於這種狀態的系外行星，在繞恆星公轉時，也是一面永遠朝着恆星，另一面永遠背向恆星。因此，它們一個半球永久接收恆星輻射照射，被稱為“永久白天”，另一個半球永遠接收不到陽光，被稱為“永久黑夜”。

星下點海洋並不穩定存在

那麼問題來了，這些“疑似宜居行星”真的宜居嗎？

楊軍告訴科技日報記者，此前有研究預測，這些系外行星的星下點附近，可以理解為恆星與行星中心連線與行星表面的交叉點區域。星下點附近可能存在一個開放海洋，其他區域都被冰雪所覆蓋。這樣看起來，整個行星就像一個眼球一樣。

因為只有星下點附近接收到的恆星輻射程度才能使地表温度達到高於273開爾文的水平，有科學家推測，這種開放海洋可能是光合作用生物的理想生存環境。

如果真是這樣，那麼可以認為，這些“疑似宜居行星”還是比較宜居的，至少對於某些光合作用生物而言。但是，事實可能並非如此。

“這些研究都沒有嚴格考慮海洋流動的作用。”楊軍團隊在論文中提出了一個關鍵問題：在這些“疑似宜居行星”絕大部分區域被冰雪覆蓋的情況下，它們表面的開放海洋可以穩定存在嗎？

楊軍團隊通過三維耦合的模擬表明：在考慮海冰流動之後，這些“疑似宜居行星”星下點位置的開放海洋是無法穩定存在的。他們通過模擬發現，海冰在行星的背陽面生長，然後被風和海流不斷輸送到星下點區域，進而再通過提高地表反照率和融化吸熱過程使地表温度不斷降低，直到整個海洋都被冰雪覆蓋，進入冰雪世界。

“這項研究結果表明，一些原本認為宜居的太陽系外行星可能並不宜居，它們很可能是一個極為寒冷的冰雪世界。”楊軍説，此次研究發現，光合作用生物難以很好地在這些“疑似宜居行星”上生存與繁衍。

楊軍告訴科技日報記者，只有當大氣中二氧化碳濃度比較高的時候，或者恆星輻射比較強的時候，這些行星才有可能避免成為冰雪世界，成為真正的宜居星球。