科學家發現“超級地球”傾角消失可扼殺生命

四季分明的地球

季節的產生源于行星圍繞恒星公轉時，自轉傾角導致了恒星發出的光照強度呈現周期性的變化。比如，在北半球的冬季時，地球的自轉軸指向遠離太陽方向，直射點出現在南回歸線。傾斜的自轉軸使得太陽光照射到地表時與大氣存在夾角，有效削弱了部分能量，使光照分布顯層次感，且全天日照時也有所變化。與此同時，直射點在南半球使得日照時間更長。太陽引力的拖拽效應在具有自轉軸傾角的地球表面表現得更加充分。總體而言，地球自轉軸傾角使地表溫度均勻分布，最高溫度與最低溫度的差值不會超過200華氏度。

如果地球或類地行星自轉軸沒有傾角或者傾角小于5度時，行星赤道區域將首當其沖受到來自恒星強烈光照，兩極地區由于缺少光照變得更加寒冷，溫度不呈現季節性起伏，這種情況的結果便是溫度嚴格按沿著緯線方向梯度分布（忽略地貌對溫度的影響），海勒研究員認為這是從一個溫暖的世界跌入世界末日，赤道異常高溫，而兩極卻天寒地凍。從理論上說，中緯度地區的溫度適宜生命的生存。但是，海勒認為最壞的情況是零自轉軸傾角的行星大氣發生崩潰。氣體在赤道地區蒸發上升，并在兩極地區降溫下沉。

海勒研究員和他的同事們通過計算發現，系外行星Gliese 581d可能遭受到這樣的命運。他們模擬了恒星與行星之間發生的“引力舞蹈”，結果表明行星自轉軸可能在這種情況下會出現任何值。兩個天體之間的偏心率使得行星受到來自恒星扭轉力的作用，隨著時間的推移，這種機制會強制行星進入零傾角的姿態，而自轉軸能否在相當長的時期內保持適宜的傾角是生命發展的一個關鍵因素。在早期地球，大約花了10億年時間才出現了細菌，更復雜的生物諸如人類則是又經過了大約35億年才出現，而且僅是學會了如何在洞穴上刻圖案。

根據當前的理論分析，即便位于恒星可居住帶內的類地行星，只要這顆恒星的質量只有太陽質量的四分之一，僅需不到一億年的時間，行星的黃赤交角就會被“抹平”。那需要什么樣的條件才能維持適宜的傾角呢？科學家認為只有位于可居住帶內的具有陸地表面的巖質行星，且恒星質量大約在90%的太陽質量，這樣可維持系統內部行星的自轉軸傾角超過10億年。

宇宙中被寄予厚望的“超級地球”（質量大約是地球的10倍），所圍繞的紅矮星會使它們的自轉軸傾角迅速消失，比如Gliese 581d系外行星，其所圍繞的恒星只有31%的太陽質量。更不幸的是，科學家估計這顆恒星的年齡大約是太陽的兩倍，也就是90億歲。因此，Gliese 581d應該在很久以前就失去了它的自轉軸傾角。

對“超級地球”上任何生命形式而言，更糟糕的情況是在它們行星自轉軸被“抹平”后，行星自轉速率也變得慢了下來，不僅失去了季節，同時這個世界還會出現“潮汐力鎖定”，即Gliese 581d將變成只有一面朝向它的恒星。很明顯，另外一面將進入永久冰凍的夜晚。

對此，海勒認為位于類似太陽這樣恒星周圍的具有可居住潛力的行星，它們與恒星之間都存在著潮汐力的作用。和紅矮星相比，這些可居住區與恒星之間的距離大約是前者的兩至三倍，在這個距離上，潮汐力是很弱的。

這意味著類似Kepler-22b這樣的類地行星可以擁有比較經典的一年四季，海勒的研究結果顯示這個星球上存在初始狀態的自轉軸傾角，因此可以體驗到季節的變化。但是，相當多的天文現象可以改變行星的自轉，包括衛星和其他行星引力的影響。在我們太陽系中的大塊頭木星引力就可以干擾其他行星的自轉軸傾角。研究表明，正是月球相對較大的質量在一定程度上平衡了其他行星引力對地球影響，限制了軸向的擺動，并在相當長的時間內保持傾角的穩定。

與此相反，木星的強大引力肆虐著火星的自轉軸傾角，導致其在過去的一百萬年內出現高達60度的變化，使得火星全球氣溫和冰川覆蓋出現大范圍波動。適宜居住的世界則可能因為氣候的亂序導致生命進程的結束。

哥倫比亞大學多學科天體生物學中心主任凱勒（Caleb Scharf）認為：即便紅矮星周圍的行星存在“大月亮”，但由于過于靠近昏暗的恒星，可能會破壞其衛星的軌道。計算天體之間引力長期相互作用的條件是苛刻的，現在，要想知道“超級地球”Gliese 581d以及開普勒 22b的真實狀態還需要等待。總的來說，自轉軸的傾角是一個非常重要的變量。