根據(jù)一項(xiàng)研究，在可居住恒星宜居帶中，潮汐鎖定的行星也許能夠避免全球冰河時代的到來，這一研究為冰的形成和反射陽光的方式提供了模型。與此同時，另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，傾斜強(qiáng)烈的行星更有可能經(jīng)歷突然的冰河時代。在恒星周圍的“宜居帶”，在地球表面的地球表面，它的溫度足以讓液態(tài)水存在，這一直是評估其他星球生命潛力的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但隨著我們對天體生物學(xué)的理解加深，科學(xué)家們正在尋找其他可居住的線索。即使是在一個行星或月球處于可居住帶的位置，在外星世界形成條件的日子、夜晚和季節(jié)也會與地球截然不同。
“大冰凍”星球的概念圖，圖片：NASA
一個限定詞是行星的軸向傾斜，也被稱為傾斜。地球相對太陽的旋轉(zhuǎn)角度為23.5度，這意味著大部分的陽光會照射到赤道，而兩極非常冷，形成了冰蓋。然而,地球傾斜在超過55度可能會形成一個赤道冰帶,以及兩極,將在夏天非常熱,非常寒冷的冬季,所以生活在極地地區(qū)將不得不適應(yīng)極端高溫和寒冷。或者一顆外星行星或月球可能會與它所環(huán)繞的任何物體產(chǎn)生共振，因此它進(jìn)行一次旋轉(zhuǎn)所需的時間長度與它環(huán)繞它的母體所花費(fèi)的時間完全相同。這樣做的后果是，行星或月球會變得“潮汐鎖住”，并且有一面總是面朝遠(yuǎn)離它的恒星，另一面總是在陽光下。例如月亮潮汐地鎖在地球上，這就是為什么我們總是在月球的近旁看到熟悉的“人”的原因。
這些差異影響著這些世界是否足夠溫暖，足以擁有流動的水，或者它們是正在經(jīng)歷全球冰河期的冰凍雪球。就連地球這個地球上唯一有生命的星球，在其地質(zhì)歷史上也在走向冰凍的極端。芝加哥大學(xué)的行星科學(xué)家Jade Checlair和她的同事們研究了在可居住帶中潮汐鎖住的行星是否會進(jìn)入冰雪覆蓋整個表面的雪球狀態(tài)。他們關(guān)注的是被稱為紅矮星的又小又暗的恒星，紅矮星是宇宙中最常見的恒星。因?yàn)榧t矮星，也被稱為m -矮星，是很冷的恒星，它們的可居住區(qū)域相對較近，甚至比水星離太陽的距離(約5800萬公里)要近得多。當(dāng)一顆行星在離恒星非常近的軌道上運(yùn)行時，它的引力就會迫使這個世界被潮汐鎖住。
挪威北極圈內(nèi)的斯匹次卑爾根群島，雪球世界的整個表面都有這樣的冰凍地形。圖片：Thomas A. Brown and Simon T. Belt
希望發(fā)現(xiàn)并能夠研究的大部分行星將圍繞m -star運(yùn)行，他們中的許多人將居住至少一個地球大小的星球。 雖然經(jīng)過滾雪球式的過程可能會“根除地球上已經(jīng)存在的復(fù)雜動物生命，但地球在大約7.5億至6.35億年前這一戲劇性轉(zhuǎn)變的經(jīng)歷帶來了氧氣和復(fù)雜生命的增加。復(fù)雜生命的增加被認(rèn)為是由于氧氣的增加和由滾雪球的狀態(tài)所造成的進(jìn)化壓力造成的。例如，在地球上的雪球狀態(tài)下，冰凍的溫度和其他嚴(yán)酷的條件可能會對生命產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，使其要么適應(yīng)，要么死亡。這種進(jìn)化壓力可能導(dǎo)致了復(fù)雜生物的發(fā)展，它們互相競爭資源，對適應(yīng)或死亡施加更大的壓力。
然而Checlair和她的同事發(fā)現(xiàn)，在可居住區(qū)域內(nèi)潮汐鎖定的行星可能不太可能進(jìn)入滾雪球狀態(tài)。科學(xué)家們在《天體物理學(xué)雜志》上詳述了他們的發(fā)現(xiàn)。為了得出他們的結(jié)論，研究人員開發(fā)了一種全球氣候模型，描述了一顆類似潮汐的類地行星，位于宜居帶。他們關(guān)注的是這顆行星從它的恒星吸收了多少光，以及有多少光被反射回了太空。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，由于冰在地球表面堆積的方式，雪球狀態(tài)不會突然發(fā)生。相反，他們的模型表明，它將順利地從部分冰蓋過渡到完全冰蓋，然后再回來。此外，活躍的碳循環(huán)——碳是一種強(qiáng)大的溫室氣體——可以幫助潮汐鎖定的行星避免完全的冰川化。目前還不清楚，一個滾雪球的狀態(tài)是否會更有害或者更有利于生命在宜居行星上的存在，它肯定對宜居性有影響，但還需要進(jìn)一步研究，以確定這種影響是積極的還是消極的。
在另一項(xiàng)研究中，紐約奧爾巴尼大學(xué)(University at Albany)的氣候動力學(xué)家布萊恩·羅斯(Brian Rose)研究了居住區(qū)內(nèi)具有一系列軸向傾斜的外星行星。他和他的同事們想要知道，在適宜居住的區(qū)域內(nèi)，那些高不穩(wěn)定的行星是否能在赤道附近擁有穩(wěn)定的、長壽命的冰帶，以及其他可能對這些行星產(chǎn)生重大影響的結(jié)果。例如高傾角行星的極地區(qū)域在夏季會持續(xù)數(shù)天的日照，在冬季則會持續(xù)數(shù)天的黑暗，因此“所有的光合生命都必須很好地適應(yīng)這種強(qiáng)烈的季節(jié)性機(jī)制。羅斯的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個全球氣候模型，可以模擬許多不同的天體。
在紅矮星周圍的宜居帶中運(yùn)行的行星經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)是潮鎖的，所以它們的一天和它們所在的年份一樣長，而且它們的自轉(zhuǎn)速度意味著它們總是向它們的恒星展示同樣的一面。圖片：David A. Aguilar (Harvard CfA)
這些模型還模擬了雪、冰、水和陸地在不同緯度上反射光線的方式，以及大氣和洋流從地球的暖區(qū)向冷區(qū)移動熱量的方式。研究人員發(fā)現(xiàn)，任何適合居住的世界都可能很少擁有赤道冰帶。有可能適合居住的行星，具有55度或更高的高度，可以從完全不結(jié)冰的狀態(tài)轉(zhuǎn)到完全由冰覆蓋的狀態(tài)。羅斯和他的同事還在《天體物理學(xué)雜志》上發(fā)表的一篇論文中詳細(xì)闡述了他們的發(fā)現(xiàn)。這些結(jié)果令人興奮的是模型的簡單性，它讓我們能夠以一種簡單而有組織的方式探索可能存在的行星特征的廣泛變化?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在高傾斜度的世界，無冰的極地冰帽通常吸收的光比覆蓋在冰層上的赤道地區(qū)反射的光線要多，這就造成了氣候變暖，容易破壞冰帶的穩(wěn)定性。
他們發(fā)現(xiàn)，極地冰蓋的數(shù)量應(yīng)該是赤道冰帶的三到四倍。穩(wěn)定的冰帶是可能的，但相對來說比較罕見，這需要行星特性的‘恰到好處’結(jié)合。可能適合居住的行星有很大的不確定性，可能“在全球雪球和完全無冰的條件之間發(fā)生劇烈的氣候變化”。這顆假想的行星或多或少適合于生命而不是地球？羅斯的共同作者Cecilia Bitz得到了NASA天體生物學(xué)項(xiàng)目NASA天體生物學(xué)研究所的資助。與此同時，Checlair的工作得到了美國宇航局“可居住世界”計劃的支持。NASA的天體生物學(xué)為可居住的世界提供了資源，并為NASA科學(xué)任務(wù)理事會(SMD)的其他研究和分析項(xiàng)目提供了相關(guān)的研究和分析項(xiàng)目。
博科園-科學(xué)科普｜文：Charles Q. Choi/Space
