大氣層能讓行星轉變成適合居住的世界嗎?

作者 | 發布日期 2015 年 02 月 28 日 0:00 | 分類 天文
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尋找鄰近地球級行星的最佳場所是在那些最小、最冷的恆星周圍。新研究成果顯示:任何緊依在母恆星旁的系外行星成為適居行星的機會比先前認為的還要大,尤其是那些擁有大氣層的系外行星。



為了找到第二個地球,天文學家們將望遠鏡指向小一些、冷一些的恆星。這些所謂的紅矮星(red dwarf)不僅是銀河系各類恆星中數量最龐大的,而且質量僅有太陽的 1/4 左右,這使得這些紅矮星的適居區更靠近恆星本身,對恆星的重力擾動比遠一點的行星大,或是能更頻繁地從恆星前方通過,從而讓天文學家能更易偵測到這些適居行星。

離昏暗恆星夠近的適居系外行星縱使比較容易偵測,但它們也會碰到個難解的問題:會被恆星潮汐鎖定!就像月球一直以同一面面對地球一樣,紅矮星也只能一直看到這顆行星的同一面。如此一來,面對恆星的那一面一直處在白晝,另一面則一直在夜晚,這可能使大氣和行星表面的化學交換不穩定,或甚至在即端狀況下可導致大氣層崩潰。簡單來說,被潮汐鎖定的行星很可能是不適合居住的。

 

大氣效應得以讓行星晝夜循環

然而,根據多倫多大學(University of Toronto)與法國拉普拉斯研究所(Pierre Simon Laplace Institute)研究員 Jérémy Leconte 等人建立了一個 3D 氣候模型,嘗試瞭解行星大氣對自轉速度的影響。結果顯示:大氣效應可能強到足以中斷潮汐鎖定狀態,允許行星自由自轉而有像地球一樣的晝夜循環。

這其中最重要的關鍵就是行星大氣能允許多少比例的陽光穿透至行星表面。行星表面任何溫度差異,如晝夜溫差,或赤道與兩極的溫差,都會引起風。這些風會因長期遭遇山脈或在海洋製造波浪而推動行星,這些方式產生的摩擦力會影響行星的自轉速率,讓行星自轉加快,也可能讓自轉變慢。

當重力潮汐作用(gravitational tide)和相關的力矩驅使行星逐漸走向被潮汐鎖定時,恆星加熱行星大氣所產生的熱潮汐作用(thermal tide)卻與重力潮汐對抗,防止行星被潮汐鎖定。

天文學家其實已在金星上看到熱潮汐效應,金星大氣的影響力非常強,致使金星被強迫從同步自轉(synchronous rotation)轉變成緩慢的逆向自轉(retrograde rotation,與太陽自轉方向相反);如果金星上有金星人,那他將看到太陽從西方升起,從東方落下,和地球相反。但金星的大氣密度是地球的 90 倍左右,行星科學家們不認為像地球樣比較稀薄的大氣層能有效地造成如金星大氣一般的效果。

Leconte 等人模擬的結果卻顯示:薄一點的大氣層事實上對行星自轉的影響力更大一些。因為稍薄的大氣層對陽光的散射也比較少,這些額外的熱能能抵達更深層的大氣層,製造出更強勁的風。如果金星大氣如同地球大氣一般,則金星自轉速度將比現在還快 10 倍左右,與先前研究認為金星自轉速度應比現在還慢 50 倍的結論迥異。

未潮汐鎖定的行星,其大氣混合較劇烈,使得溫度較為穩定,從而讓大氣穩定度增加,如此一來,對適合生命發展的條件而言,除了類似地球的質量、含有水等之外,這些行星又多了一個適當大氣層的優勢。

 

寄託太空望遠鏡幫助測溫

此外,大氣層的存在還可避免某些潮汐鎖定行星可能會有的問題,例如:冷阱現象(cold trap)。被潮汐鎖定的行星,面對母恆星的白晝一側的液態水會逐漸蒸發,並會隨因溫度梯度而引的的風傳輸到背對母恆星的暗夜一側,然後凝結成雪花落往地表,形成大規模的冰原(ice sheet)。既然行星背面始終見不到恆星,那麼冰原便可永久存在而不消失,甚至可能到最後這個行星上所有的液態水都因此而移動到暗夜一側的行星背面,讓生命無法在此行星上立足。

雖然這些學者指出有許多已知的系外行星都擁有晝夜循環,讓它們擁有適合生命居住的潛能,然而有些行星的晝夜循環,也就是「一天」的長度,從數星期到數個月不等,使得它們環繞恆星公轉一周的「一年」中,可能只有短短數天而已,像這樣的系外行星仍然與地球差異甚大。

不過,上述說法也都是電腦模擬的「理論」結果,仍然需要真正的觀測證據支持,是以這些學者希望能盡快取得觀測證據。天文學家可以利用系外行星從其母恆星後方通過的過程中來測定系外行星的溫度,可是對地球級大小的系外行星而言並不容易獲得測量結果。Leconte 等人將希望寄託在預定於 2018 年發射的韋伯太空望遠鏡( James Webb Space Telescope),要不然預定在 2024 年才開光的歐洲極大望遠鏡(European Extremely Large Telescope)是他們的另一個希望所在。

(本文由 台北天文館 授權轉載) 

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