【博科園-科學(xué)科普】對(duì)于低質(zhì)量、超冷和超昏暗的紅矮星的研究最近發(fā)現(xiàn)了大量的外太陽系行星。這些發(fā)現(xiàn)包括一顆圍繞著最近的恒星運(yùn)行的巖石行星的發(fā)現(xiàn)(比鄰星b)和一個(gè)只有40光年遠(yuǎn)的七行星系統(tǒng)(trappist - 1)。在過去的幾年里，天文學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了圍繞著Gliese 581、Innes Star、開普勒42、Gliese 832、Gliese 667、Gliese 3293和其他恒星運(yùn)行的候選行星。
對(duì)一種系外行星繞著低質(zhì)量的紅矮星運(yùn)行的藝術(shù)印象圖。圖片：NASA/JPL
這些行星的大部分都是巖態(tài)行星，許多行星被發(fā)現(xiàn)在其恒星的宜居帶內(nèi)運(yùn)行（適居帶)。然而不管這些行星是否處于一種無潮的狀態(tài)，人們都在不斷地面對(duì)著他們的恒星。根據(jù)華盛頓大學(xué)的一項(xiàng)新研究被鎖住的行星可能比之前認(rèn)為的更為常見。
這項(xiàng)研究是由華盛頓大學(xué)的天文學(xué)和天體生物學(xué)助理教授羅里·巴恩斯(Rory Barnes)領(lǐng)導(dǎo)的，該研究的標(biāo)題是“居住系外行星的潮汐鎖定”。他也是一個(gè)擁有虛擬行星實(shí)驗(yàn)室的理論家，他的研究主要集中在圍繞著低質(zhì)量恒星“宜居帶”的行星的形成和演化。
潮汐鎖定導(dǎo)致月球繞地軸旋轉(zhuǎn)的時(shí)間與繞地球運(yùn)行的時(shí)間相同（左側(cè)）。圖片： Wikipedia
對(duì)于現(xiàn)代天文學(xué)家來說，潮汐鎖定是一種很容易理解的現(xiàn)象，它是由于它們?cè)谝粋€(gè)天體和它的軌道上的角動(dòng)量沒有系統(tǒng)傳輸?shù)慕Y(jié)果。換句話說軌道天體的軌道周期與它的旋轉(zhuǎn)周期相匹配，確保了這個(gè)物體的同側(cè)總是朝向行星或它運(yùn)行的恒星。
想想地球上唯一的衛(wèi)星——月球。除了要花27.32天的時(shí)間繞地球軌道運(yùn)行外，月球還要花27.32天的時(shí)間繞地球自轉(zhuǎn)一周。這就是為什么月球總是向地球呈現(xiàn)同樣的“臉”，而遠(yuǎn)離的一面被稱為“黑暗面”。天文學(xué)家認(rèn)為這是在大約45億年前一個(gè)火星大小的物體(Theia)與地球相撞后發(fā)生的。
除了拋擲最終形成月球的碎片外，人們相信撞擊撞擊地球的角度，使地球的自轉(zhuǎn)周期為12小時(shí)。在過去研究人員用這個(gè)12小時(shí)的地球自轉(zhuǎn)的估計(jì)作為太陽系外行星行為的模型。然而在巴恩斯的研究之前，從來沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的檢查。
為了解決這一問題，巴恩斯選擇了一個(gè)長期以來的假設(shè)即只有更小、更暗的恒星才能承載軌道上鎖定的行星。他還考慮了其他的可能性，包括較慢或更快的初始旋轉(zhuǎn)周期，以及行星大小的變化和軌道的偏心。他發(fā)現(xiàn)以前的研究是相當(dāng)有限的，只有一個(gè)結(jié)果。
由于它們的軌道很近，低質(zhì)量、m型(紅矮星)恒星周圍的巖石行星很常見。圖片：M. Weiss/CfA
正如他在華盛頓大學(xué)的新聞聲明中解釋的那樣：
行星形成模型表明，行星最初的自轉(zhuǎn)可能比幾個(gè)小時(shí)，甚至幾周都要大得多。所以當(dāng)你探索這個(gè)范圍時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的系外行星有可能被潮汐鎖定。例如如果地球沒有月亮，并且有一個(gè)四天的初始“日”，一個(gè)模型預(yù)測(cè)地球現(xiàn)在將會(huì)被潮汐鎖定到太陽。
從這一點(diǎn)上，他發(fā)現(xiàn)那些在很晚的m型(紅矮星)軌道上運(yùn)行的潛在宜居行星，在它們形成后大約10億年的軌道上，很可能會(huì)有高度圓形的軌道。此外他發(fā)現(xiàn)對(duì)于大多數(shù)天體來說，他們的軌道與他們的旋轉(zhuǎn)是同步的。他們將會(huì)與他們的明星保持關(guān)系。這些發(fā)現(xiàn)可能對(duì)研究外行星的形成和演化有重要的影響，更不用說可居住性了。
在過去被認(rèn)為是被鎖住的行星被認(rèn)為具有極端的氣候，從而消除了任何生命的可能性。舉個(gè)例子水星經(jīng)歷了一個(gè)3:2的自旋軌道共振，這意味著它在它完成太陽的每?jī)蓚€(gè)軌道上旋轉(zhuǎn)三次。正因?yàn)槿绱耍巧系囊惶熘灰?76天，地球和溫度范圍從100(-173°C;-279°F)到700 K(427°C;800°F)之間。
對(duì)于一顆繞著恒星運(yùn)行的小行星來說，人們相信這種情況會(huì)更糟。然而天文學(xué)家們已經(jīng)開始推測(cè)，這些行星周圍的大氣層可能會(huì)在它們的表面重新分配溫度。與沒有大氣和沒有風(fēng)的水星不同，這些行星可以維持對(duì)生命有利的溫度。
一顆繞著一顆紅矮星旋轉(zhuǎn)的“地球”行星的印象藝術(shù)圖。圖片：ESO/M. Kornmesser/N. Risinger
無論如何這項(xiàng)研究是對(duì)最近的太陽系外行星發(fā)現(xiàn)的限制之一。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)樘栂低庑行堑奶綔y(cè)和研究還處于初級(jí)階段，而且僅限于間接的方法。換句話說天文學(xué)家們對(duì)行星的大小、組成以及它是否有基于凌日的大氣層以及這些行星對(duì)其恒星的影響作出了估計(jì)。
在接下來的幾年里，下一代的任務(wù)，如James webspace望遠(yuǎn)鏡和凌日系外行星測(cè)量衛(wèi)星(TESS)，預(yù)計(jì)將大大改善這種情況。除了對(duì)現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行更詳細(xì)的觀察之外他們還有望發(fā)現(xiàn)更多的行星。如果巴恩斯的研究是正確的，大多數(shù)被發(fā)現(xiàn)的人將會(huì)被鎖住，但這并不意味著他們不適合居住。
參考：NASA，ESO，華盛頓大學(xué)，Wikipedia
來自：Universe Today
