自1992年人类发现第一颗系外行星以来,截至2024年4月,NASA系外行星数据库已确认了超过5600颗系外行星。其中,类海王星行星1919颗,类木行星1791颗,类地行星1695颗,以及200颗其他类型的行星。
这些发现表明,宇宙中存在着无数与太阳系类似的星系。在探寻外星生命的过程中,与地球相似的岩质类地行星一直是研究的重点。
然而,目前发现的大部分类地行星都围绕着比太阳小的黄矮星运行。由于黄矮星光线微弱,其宜居带非常靠近恒星,这使得行星容易被潮汐锁定,导致行星一面永远朝向恒星,另一面则永远处于黑暗之中。长期以来,行星的潮汐锁定现象仅停留在理论层面,直至2024年4月,天文学家首次确认了一颗被潮汐锁定的系外行星,为系外行星研究带来了新的突破。
如何确定行星是否被潮汐锁定?要确定一颗行星是否被潮汐锁定,需要确定它的公转周期和自转周期。利用凌日法,即行星运行到恒星前方时导致恒星亮度变暗的现象,天文学家可以比较容易地测算出行星的公转周期。
然而,确定行星的自转周期则极具挑战性。由于系外行星距离地球遥远且体积小、光线微弱,即使是强大的望远镜也难以直接观测到它们的表面并测算其自转。
利用温度差异推测自转:行星热像曲线检验为了克服观测上的困难,天文学家开发了一种利用温度差异推测行星自转的方法,称为行星热像曲线检验。行星热像曲线指的是行星表面的热辐射数据,主要受行星自转、与恒星的距离以及潜在的潮汐加热等因素影响。
如果一颗行星被潮汐锁定,其面向恒星的一面将持续受热,而背向恒星的一面则处于永久的黑暗和寒冷之中,从而形成显著的温差。通过建立行星表面热辐射模型,并将模型预测的温度数据与望远镜实际观测到的行星温度数据进行匹配,可以推断行星的自转情况,进而确定其是否被潮汐锁定。
LHS 3844 b:一颗被潮汐锁定的超级地球为了验证这一方法,研究人员选择了一颗没有大气层的岩质行星LHS 3844 b作为研究对象。LHS 3844 b是由TESS望远镜于2018年发现的,距离地球48光年,其宿主恒星是一颗红矮星LHS 3844。
LHS 3844 b的半径约为地球的1.3倍,是一颗超级地球。它的公转周期仅为11.8小时,非常靠近主恒星,因此很有可能被潮汐锁定。
2019年,斯皮策望远镜的观测数据显示,LHS 3844 b面向恒星一面的温度高达1040摄氏度,而背向恒星一面的温度则低至零下270多摄氏度,并且它可能没有大气层,这使得LHS 3844 b成为了研究潮汐锁定的理想目标。
研究人员将建立的岩质行星热模型与斯皮策望远镜观测到的LHS 3844 b的热像曲线进行匹配,结果表明,只有当LHS 3844 b拥有永久固定的白天和黑夜且轨道近乎圆形时,热模型与观测数据才能最佳匹配。
这是目前利用现有数据和工具证实行星被潮汐锁定的最令人信服的证据。未来,研究人员将结合镜像速度和韦伯望远镜的数据进行进一步分析。
结论与展望:生命如何在潮汐锁定的行星上生存?这项发现证实了靠近恒星的行星会被潮汐锁定,这意味着许多已发现的类地行星可能都处于类似的状态,一面永远光明,一面永远黑暗。这一发现引发了人们对生命如何在如此极端的条件下生存的思考。
在未来,我们需要更多的研究来探索这些被潮汐锁定行星的潜在宜居性,以及生命在其中可能存在的形式。这将进一步拓展我们对宇宙生命和行星演化的理解。
感想:这次发现不仅证实了潮汐锁定理论,更开启了对生命存在形式的新思考。在永恒的光明与黑暗之间,生命或许会找到独特的生存方式,例如在晨昏线附近发展出适应巨大温差的生态系统。
这挑战了我们以往对宜居星球的定义,也提醒我们宇宙的奇妙远超我们的想象。对系外行星,尤其是类地行星的研究,不仅能够帮助我们理解行星的形成和演化,也可能最终揭开宇宙生命之谜。