【寰宇天文】要讓行星適合人類居住嗎?加上一點點大氣層吧

■加拿大的天文學家從電腦模擬中發現,要讓系外行星(exoplanet)適合生命存在,其中一個關鍵可能是相對稀薄的大氣層。

圖片來源:Wiki
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撰文|陳勁豪

目前為止,天文學家已經發現了上千顆太陽系外行星。對於這些系外行星,很重要的一個問題就是這些系外行星會像地球一樣適合生命居住嗎?直接到這些系外行星進行觀察是不可能的事情,所以天文學家退而求其次,想要知道什麼樣的系外行星會適合生命存在?

這些系外行星就像地球一樣環繞著一個恆星進行公轉,同時也會因為恆星所發出的能量而影響這些行星表面的溫度。因此,行星跟恆星之間的相對運動便相當重要。以地球跟月球為例,當這兩個質量差距頗大的星體相互運行的時候,由於地球與月球之間的潮汐力大到可以使月球改變其自轉速率,使月球的自轉速率與月球繞地球公轉的速率一致,都是28天。所以在地球上,我們看到的永遠都是月球面向地球的一側,而背對地球的那一側則永遠無法在地球上看到。這個效應稱為同步自轉效應。

當行星繞著恆星的時候也是如此。以太陽系而言,距離太陽最近的水星就是個很好的例子。水星繞太陽公轉一週的時間約是88天,而水星自轉一週的時間則是58.65天,約略是公轉週期的三分之二。因此,水星面向太陽的部份會長時間受到太陽照射,溫度可以達到攝氏400度以上,而背向太陽部份的溫度可以低達攝氏零下173度。如此極端的溫度變化,對生命的存在將是相當大的考驗。

距離太陽次近的金星也有類似的問題。金星比水星離太陽的距離更遠,所以受到太陽重力的影響更小。但是金星的自轉與公轉週期分別是243與225天。兩者也是約略一致。科學家認為,這兩個週期略有差異的原因是因為金星帶有相當厚的大氣層(約是地球氣壓的93倍),金星大氣的流動所產生的潮汐力使得金星的自轉速率變慢。

而地球離太陽的距離夠遠,因此太陽的重力對地球的影響就不大,所以地球自轉的速度相當快,一次一天。

對大部份的系外行星而言,大部分的系外行星都是繞著紅矮星(red dwarf)或橘矮星(orange dwarf)公轉,這些恆星的溫度都比太陽來的低。如果這些系外行星保有類似地球的溫度,這些系外行星離他們的恆星的距離需要比地球到太陽的距離更近。但是距離更近卻又有可能使行星遭受到恆星的重力鎖定使得自轉週期變成與公轉週期同步,而變成一邊永遠過熱,一邊永遠過冷的極端狀況,這會讓這些系外行星更難產生類似地球一樣的生命存在。

多倫多大學的Jérémy Leconte跟他的研究團隊就問了這個問題:如果一個行星帶有跟地球一樣稀薄的大氣層(約為一大氣壓),那這個行星在什麼距離內可以不會發生同步自轉效應?電腦模擬的結果相當令人意外。以繞著一個質量大約是太陽60%的紅矮星為例,一個類似地球大小,帶有類似大氣層的行星大概可以靠近到地球與太陽距離的三分之一,但還是可以自由自轉而不會出現同步自轉效應。如果以太陽系的金星為例的話,就是如果金星的大氣層從目前的93大氣壓變成一個大氣壓,那麼金星的自轉速度會比現在快上十倍。

當環繞恆星的行星自轉速度加快,那麼行星上的極高跟極低溫度之間的差異就有可能相對減小,對生命而言可能會是相對溫和的環境。這可能可以大幅提高這些系外行星存在生命的可能性。

原始論文:
Asynchronous rotation of Earth-mass planets in the habitable zone of lower-mass stars
Science DOI: 10.1126/science.1258686

相關報導:
Physics World 2015/01/15: Exoplanets could avoid 'tidal locking' if they have atmospheres
Space.com 2015/01/15: For Alien Planets, Atmosphere May Be Key to Day-Night Cycle

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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