小科普:如何在一颗“潮汐锁定”的星球上生活?
2019-03-15 18:25:12
假设生存环境不同,人类又会创造出什么样的文明呢?

编者按:本文作者 CHARLIE JANE ANDERS 对于潮汐锁定星球的兴趣促使她动笔撰写了《The City in the Middle of the Night》这部作品,本文系她在作品背景设定进行的种种考量。原文标题 The Bizarre Planets That Could Be Humanity’s New Homes

小科普:如何在一颗“潮汐锁定”的星球上生活?

想象一下,如果你生活在一个太阳永远不会在天空中移动的星球上,那里既没有日出,也没有日落。

几年前,我迷上了潮汐锁定这个概念,这个永远处于两个极端之间的世界的概念成功地占据了我的想象力。我意识到,在寻找类地行星的过程中,像这样的行星是最有可能存在的,我们的后代也许可以在这些地方定居下来。

天文学家认为,我们星系中大多数温度与地球相似的行星都有可能存在潮汐锁定现象。因为它们的轨道周期和自转周期是一样的,所以这些行星朝向太阳的一面总是固定不变的——就像月球在环绕地球的过程中我们总是看到它固定的一面一样。

潮汐锁定的现象如此普遍的原因也很简单。在我们的星系中,多达四分之三的恒星是红矮星,比我们的太阳体积更小、温度也更低。任何围绕红矮星运行的行星都需要离它的恒星更近才能保证达到维持生命存在的温度,差不多有水星离太阳那样近。在这个距离上,恒星的引力会把它拉进潮汐锁定的轨道。

例如,天文学家最近在特拉普斯特-1星系的宜居带发现了7颗和地球大小类似的行星,它们都有可能存在潮汐锁定的情况。

我对这类行星的痴迷促使我写了一本新小说《The City in the Middle of the Night》。为了描绘出这类行星所有奇怪的地质特征和连锁反应,我和亚利桑那州立大学地球与太空探索学院(School of Earth and Space Exploration at Arizona State University)院长Lindy Elkins-Tanton以及该领域其他的科学家进行了交谈。最重要的是,我着迷于想象生活在一个天空从未改变的星球上的人们会是什么样子。

现在,谈论这些问题意味着大量的推测——这是一个科幻作家应有的完美状态。但我们已然对潮汐锁定的世界的动态有了足够的了解,接下来就是了解它们是如何运作的,以及我们可以在那里建立什么样的文明。

第一个问题:潮汐锁定的星球上的人类会定居在哪里?当我开始动笔时,这个问题的答案似乎应该是“介于白天和黑夜之间的一片朦胧地带”。伯尔尼大学空间与宜居性研究中心(Center for Space and Habitability at Bern University)的天体物理学家  Daniel Angerhausen 表示该地带既不太热也不太冷,而是“介于永恒的黄昏和永恒的黎明之间”。

Angerhausen认为,居住在这一地带的生命体也许能够利用“某种热核反应堆”技术和冷水及热水来获取地热能。而 马普天文研究所( Max Planck Institute for Astronomy )的Ludmila Carone表示,要想在潮汐锁定的世界里获得液态水,你需要一个系统来平衡昼夜温度。否则,所有的液体在永夜的一面会结冰,或者更糟的是,大气本身结成冰。“这些行星的可居住性很大程度上取决于你能多好地输送热量,”Carone说。

即使是相对较小的温差(比如50华氏度)也会让这些行星的生命体更存活。哈佛大学(Harvard University)研究系外行星大气的大三学生Laura Kreidberg说,即使永昼的一面气候舒适温和,永夜一面的温度仍会降低到足以结冰的程度。“地球上所有的水会在夜晚结冰吗?我们还不知道,”她说。洋流也可以帮助传输热量,但影响取决于地球上有多少水以及大陆在哪里。

潮汐锁定的行星还有可能是这样的:某一颗行星一开始完全被冰覆盖,然后面向恒星一侧的冰雪融化。从太空角度进行观察的话,你会发现它看起来就像一个眼球,Angerhausen解释道。

在最极端的情况下,面向恒星的一面热量过高,以至于不可能存在液态水。但只要有足够的温差,它就能在夜间重新形成液态水。

WASP-103b就是这种情况。作为一颗潮汐锁定行星,WASP-103b是一个“热木星”类型的世界。根据马赛大学(Aix Marseille University)Vivien Parmentier(和Kreidberg一起)最近对WASP-103b的研究,这颗行星永昼一侧的水分子被破坏,然后在永夜一侧又重新组合成水分子再形成云,整个过程循环往复。

除了寻找液态水的问题,潮汐锁定的世界可能还存在其他问题,Carone说。红矮星是“出了名的喜怒无常”,它们有可能会突然爆发,将物质喷射到太空中。爆发产生的热量会使得区域内行星的大气层温度升高。同时恒星也可以喷射出剥离大气层的物质。早期的地球也经历过这些事情。但是在一个潮汐锁定的世界里,一场足够猛烈的恒星风暴也可以摧毁新的大气层。

Parmentier说,即使有大气层,行星也可能受到致命的辐射。一颗红矮星发出的光不能提供足够的紫外线波长来制造臭氧——所以我所设想的星球可能不像地球一样有臭氧层。(在我的小说中,阳光直射不仅太热,还会导致严重的灼伤,所以人们必须呆在阴凉处。)

任何生活在我所设想的星球上的人都需要吃饭和呼吸,希伯来大学(Hebrew University)的物理学家Joseph Gale和Amri Wandel一直在研究植物是否能在耀斑和辐射下存活。起初,植物可能在海洋中进化以利用水作为保护层。但最终,如果外部环境变得不那么严酷,这颗行星可能会形成足够厚的大气层,使得植物能够在陆地上生长。Gale和Wandel还计算出可见光光谱中可能有足够的光来进行正常的光合作用。

然而,有了能够维持生命的大气层,就会有足够强大的气流来降低行星永昼一侧的温度,最终温度可能会和地球热带地区的温度一样。大气层还可以帮助形成云层作为永久的遮阳物。像Carone这样的科学家一直在制作潮汐锁定世界的计算机模型,他们越来越相信人类可以生活在“介于白天和黑夜之间的一片朦胧地带”之外。

多伦多大学(University of Toronto)天文学和天体物理学博士生Adiv Paradise对这一现象有一个猜测:人们可能住在永昼的一面,但需要建造采矿和管道作业,才能把冰从永夜的一面运过来。这在很大程度上取决于白天的辐射有多严重。Paradise还认为人们可以学习在永夜的一面生活:“我来自明尼苏达州。有些地方尽管天文学家称之为不适合居住,但人们还是设法谋生。”

Paradise还表示,对于生活在潮汐锁定世界的生命体来说,最大的挑战可能是完全不同的天空。如果他们生活在永昼的一面,那他们可能会“失去对宇宙的所有认知”,因为他们永远也看不到星星。他们对时间流逝的看法也会改变,因为“天空中没有任何东西会改变。”

受到这些问题的启发,在《The City in the Middle of the Night》一书中,我创造了两个不同的人类社会,用截然不同的方法来解决昼夜节律和时间流逝的问题。我书中的人类定居者肯定会利用温差来产生地热能,就像Angerhausen建议的那样。尽管如此,我那被潮汐锁定的世界并没有全然照搬这些最新的模型研究成果,因而最终在一些细节上变得有点异想天开。在科学准确性和讲好故事之间总是存在着权衡,在某种程度上,我可能最终写了一些有关系外行星的寓言。

但我想帮助人们想象居住在围绕着一颗陌生恒星运转的行星上的奇异、恐怖和壮丽的场景。我相信,随着我们有更多的发现和收集更多的观测数据,关于潮汐锁定世界的小说将在未来迎来一场数量大爆炸。关于这类要么永昼要么永夜的奇异世界,我们应该有一肚子的故事可以讲述。作为人类,畅想另一个星球上的生命是一种思考我们自己在宇宙中的位置的方式,无论是过去,还是现在,亦或是未来。

编译组出品,编辑:郝鹏程

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