潮汐锁定的世界是一个极端的地方。一边是无尽的白昼，另一边是永恒的黑夜。然而科学家们推测，其中一些可能蕴藏着支持生命存在的条件。
在某些世界，太阳永远不会落下或升起。如果一颗行星绕其轴心旋转一圈所需的时间与其绕母恒星运行一圈所需的时间相同，那么这颗恒星看起来就会一动不动地悬挂在天空中。这样的行星对它们的恒星只有一面之缘，这种情况被称为潮汐锁定。
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潮汐锁定的行星是一个分叉的世界。一边是永恒的白昼，另一边则是永恒的黑夜。两者之间的边界是一圈薄薄的暮色永恒环（晨昏圈），太阳永远在那里落下（或者升起，如果你愿意的话）。我们太阳系中的许多世界都被潮汐锁定——包括我们的月球——其他太阳系中围绕母恒星运行的系外行星也可能是潮汐锁定的。
许多这样的行星对生命不友好，一侧被烘烤，另一侧被冰冻。然而，天文学家和科幻爱好者长期以来一直在思考这样的世界是否可能孕育生命。现在，复杂的计算机建模和新数据正在揭示这些被潮汐锁定的遥远世界大气层的更多信息。这些研究正在为这样一种观点增添砝码，即有些潮汐锁定的世界可能对生命并不那么敌对。
“潮汐锁定并没有什么特别糟糕的地方，”英国牛津大学的物理学家雷蒙德·皮埃尔亨伯特（Raymond Pierrehumbert）说。 “永昼的一面是非常好的栖息地，而且数量相当多。”
自转减慢
要想了解潮汐锁定的近似例子，我们只需抬头仰望： 我们的月球被潮汐锁定在地球上，这是数百万年来月球自转逐渐减慢的结果，这是由于月球与我们星球的引力相互作用造成的。就像月球的引力使我们的海洋来回晃动，从而产生潮汐（因此被称为 “潮汐锁定”）一样，恒星的引力也会拉扯轨道上行星的岩体，从而产生凸起。
如果行星的自转速度快于或慢于它绕恒星运行的速度，凸起就会稍稍偏离中心。随着时间的推移，恒星引力对错位凸起的牵引会逐渐减缓或促进行星的自转，直到达到平衡：行星每绕恒星一圈，就会以其轴心为中心旋转一次。
这种效应在距离其母恒星非常近的行星上最为明显，这就是为什么月球与地球潮汐锁定，而地球与太阳却没有潮汐锁定的原因。
冥王星和它的卫星卡戎也只有一面之缘——它们的轨道非常接近，大小也足够相似，潮汐力使它们的自转同步。
麻省理工学院的行星科学家丹尼尔·科尔（Daniel Koll）说，虽然天文学家并没有潮汐锁定世界的确切数量，但许多系外行星都以这种方式与恒星发生引力束缚，这是 "一个基本的预期"。
这些天体中的许多都将是极端的地方，既是烤焦的，又是冰冻的。比如一颗名为 “巨蟹座 55 e（55 Cancri e） ”的大型系外岩石行星，它大约每 18 个小时绕类太阳的 G 型恒星运行一次。
皮埃尔·亨伯特说：“它太热了，在昼面有一个永久的岩浆海洋，”他在最近的《流体力学年度评论》中描述了潮汐锁定世界的大气层。“然后你会看到岩石蒸发到大气层中，然后凝结到永夜一侧。 所以雨是由一氧化硅之类的东西组成的。”
但科尔说，一颗被潮汐锁定的行星，其大气层与地球大气层类似，可能会相当有效地重新分配热量。其结果可能是适合生命生存的环境——这也是行星猎手们长期以来的目标。
空气和水
上世纪初，天文学家错误地认为金星可能被潮汐锁定。 .赫沃德（. Heward）在1903 年写道：“在永恒的黑夜和白昼这两个不同的区域之间，一定存在着一片广阔的柔和的玫瑰色暮光地带，那里的气候条件可能非常适合智慧生物种族的生存。”
芝加哥大学地球物理学家多里安·阿博特（Dorian Abbot）表示，科幻小说中也出现了对“晨昏圈”宜居性的乐观看法。 这个想法是，行星的永昼面和永夜面之间的区域将足够温和，足以让水以液态形式存在，也许可以让生命生存。
科学研究对这一理论提出了质疑。 天文学家称之为“晨昏圈”的暮光区对于需要太阳光才能生存的生物体来说将是一个贫瘠的地方。
但阿博特说，如果你有合适的大气，你就不需要晨昏圈来维持生命。
大气层可以将热量输送到行星周围，使液态水（也许还有生命）的生存条件变得更加普遍。 “生命不仅仅出现在晨昏圈处，”阿博特说，“它会遍布各处。”
这需要一个平衡的过程：大气需要足够稠密才能传输热量，但又不能太稠密以致令人窒息。 相反，如果永夜面变得太冷，它可能会冻结气体，从而完全失去大气层。
阿博特和科尔在 2016 年开发的一项模拟表明，正确的平衡是可以实现的：一些潮汐锁定的系外行星可能拥有“恰到好处”的大气层，能够有效地移动热量，甚至可以让永夜的一面保持温暖。
科尔说：“这会很奇怪，因为虽然永远都是黑夜，但你仍然可能拥有与我们类似的生命存在的条件。” 想想地球上的两极，尽管阳光稀缺，但生命仍然存在。 “天气不会变得太冷，很大程度上是因为风或海洋的运动实际上重新分配了热量。”
在地球上，海洋是全球热量循环的关键参与者。 水比空气拥有更多的热能，并且在转移热量方面效率更高。 因此，与大气一起，海洋可以在保持被潮汐锁定的系外行星的昼夜温差方面发挥重要作用。
哈佛大学研究系外行星大气的研究员冯丁说，海洋也会导致蒸发，刺激云的形成，云也可以在调节行星的条件方面发挥重要作用。 当水在大气中聚集时形成的云可以充当一种反射层，将传入的恒星辐射反射回来，帮助冷却行星。
一些计算机模拟表明，云可以使温度保持在足够低的水平，即使在可能非常热的系外行星上也能形成海洋。 这些云会产生降雨。 皮埃尔洪伯特说，在行星的永昼一侧，阳光最强烈的地方产生的强烈上升气流会使温暖潮湿的空气向上移动，形成暴雨。
陆地和生命？
这场雨可以帮助调节潮汐锁定的系外行星的温度，特别是如果还有陆地的话。 在地球上，雨水与裸露的岩石发生反应，捕获一些碳作为矿物质并将其从大气中去除，这有助于冷却地球。 皮埃尔亨伯特说，随着时间的推移，这种化学风化作用也可以使潮汐锁定的行星上的二氧化碳水平保持在可控范围内。
他推测，其他大气气体也可能使系外行星变得更加宜居。 例如，氮气可以将水分困在大气层较低的位置，从而有助于防止水分流失，因为在那里，氮气受到的紫外线较少，而紫外线会将水蒸气分解成氧气和氢气。 富含氮气的大气将有助于维持作为温度关键调节器的液态海洋。
科学家可以将其中许多变量输入计算机模拟中，但许多系外行星大气研究都是推测性的。 对潮汐锁定行星的研究也不例外。 一方面，能够证实所有这些变量的数据很少。 科尔说，大多数系外行星大气天文学都局限于那些看起来不太像地球的行星。 它们体积要大得多，并且经常被厚厚的大气层覆盖，就像海王星和天王星一样。
但新的仪器，例如NASA的凌日系外行星巡天卫星（苔丝，TESS），将大大增加已探测到的系外行星的数量。 NASA 的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）最终于 2021 年发射，它将允许对系外行星进行更详细的观测，包括有关其大气成分的数据。
这些数据将帮助天文学家完善他们的模型，并更好地了解任何行星宜居的条件——包括遥远的、被潮汐锁定的行星。 在可能存在的数万亿颗系外行星中，其中可能存在可以形成生命的浅海、可以让生物生长或爬行的温润大陆以及可以让生物飞向天空的大气层。 在那里，在外星太阳永恒的光照下，生命可以繁衍生息。
关于作者： Nathaniel Scharping, Knowable Magazine，发表于2020 年 7 月 8 日。
原文地址：Beyond the twilight zone: Living on a two-faced world ()