系外行星的自轉軸傾角可判別是否適宜生命生存的條件

研究顯示具有高傾角的系外行星同樣可能是宜居的，但前提是它必須被一個全球性海洋所覆蓋。

火星自轉軸傾角在12.4萬年周期上的變化。

截至目前，科學家們已經在太陽系以外發現了超過2000顆系外行星。至於這其中有沒有哪些系外行星是適宜生命生存的，這還需要取決於一系列的判別條件，而科學家們認為這顆行星的自轉軸傾角便是這些判別條件的其中之一。

所謂自轉軸傾角是指行星的自轉軸與其公轉軌道面之間的夾角。以地球為例，地球的自轉軸傾角較小，其自轉軸與圍繞太陽的公轉軌道面幾乎是垂直角度。然而科學家們懷疑係外行星可能會具有非常多樣化的自轉軸傾角類型，從垂直到幾乎相互平行都有可能。一般認為，自轉軸的傾角越大，那麼一顆行星擁有宜居環境的可能性也就更低。

而現在，美國麻省理工學院的科學家們發現，即便是一顆具有高傾角的系外行星，即其自轉軸幾乎與其公轉軌道面平行的情況，同樣有可能擁有適合生命生存的環境條件，前提是這樣一顆行星必須完全被海洋所覆蓋。

大衛·法雷拉(David Ferreira)此前是美國麻省理工學院地球，大氣與行星科學學院(EAPS)的一名研究科學家，他指出，如果光從表面上看，一顆行星如果擁有較大的自轉軸傾角，那麼它的環境條件將會相當極端：如果整個星球「躺在」軌道面上，那麼隨著它圍繞太陽運行，它的北極在一年中將有半年的時間會接受陽光的直射，隨後是連續六個月的黑暗。

法雷拉目前在英國雷丁大學擔任講座教授，他表示：「一般的預期是認為這樣的行星將是不適合生命生存的：要麼沸騰，要麼冰封。對於生命而言這樣的環境太過極端了。」他說：「但我們發現海洋會在夏季儲存熱量並在冬季逐漸釋放出來，這樣一來季節將會變得溫和許多，即便是在最寒冷的北極冬季也會變得不那麼嚴酷。因此在搜尋系外宜居行星時，我們認為不能簡單的將那些具有高傾角的行星目標排除掉。」

這篇論文的合著者除了法雷拉之外，還有在麻省理工學院地球，大氣與行星科學學院以及物理學院擔任教授職位的薩拉·賽格爾(Sara Seager)，同樣來自MIT的行星與地球科學教授約翰·馬歇爾(John Marshall)以及EAPS的助理教授保羅·奧戈曼(Paul O"Gorman)。

大傾角的宜居行星

法雷拉和他的同事們利用一種由MIT開發的模型來模擬一顆具有高傾角的「水行星」——具有地球相似的大小，距離恆星的距離與日-地距離也相當，並且整個表面完全被海洋覆蓋。這一三維模型的設計模擬了大氣，海洋以及海冰的運動模式，並在計算中考慮了風和熱量輸送對一個3000米深全球性海洋的影響。作為對比，研究人員也將這一大氣模型與更加簡單化，僅考慮靜止情形的「沼澤」海洋模型進行了對比，並考慮後者在不同深度上的情況，分別設置200米，50米以及10米的沼澤深度進行考察。

研究人員運用這一詳細模型去模擬一顆行星在三種不同自轉軸傾角下的情形，分別設置的假想值分別為：23度(與地球接近)，54度以及90度。

對於極端情況，即90度傾角的情況，他們發現一顆具有全球性海洋——即便其深度只有50米，也將能夠在其極地夏季期間吸收足夠多的太陽能並在冬季嚴寒時釋放出來，從而幫助維持一個相對較為溫和的環境條件。於是，作為整體來看，這顆行星將會全年都擁有類似春天的溫和氣候。

法雷拉指出：「我們此前預期如果一顆行星上擁有海洋，那麼它的環境將會變得更加宜居，但並沒有到這樣的程度。因此我們非常驚訝地發現模擬結果顯示，一個擁有全球性海洋的高傾角行星，甚至在其極地地區都仍然是適合生命生存的。」

失控的「雪球地球」

總體而言，研究組發現生命是有可能在一個具有高傾角的系外行星上生存的，但這是有條件的。在模擬中，法雷拉研究組發現一個太淺的海洋，比如說深度僅有10米的海洋將不足以承擔起調節整個高傾角行星整體氣候的重任，反而會讓這個星球陷入失控的惡性循環：在這樣一個淺海中一旦有少量海冰形成，它將迅速向黑暗半球區域擴展。即便當這一半球轉向向陽面也無法遏制這一趨勢的蔓延，因為那已經太遲了——大面積的海冰將反射大量太陽光，從而導致海水無法吸收足夠的熱量，於是海冰繼續擴展，最終覆蓋整個星球。

法雷拉指出表示：「一些人認為高傾角系外行星可能只會在赤道區域產生海冰，而在極區可能是溫和的。但我們的研究發現並不存在中間狀態。如果那裡的海洋體量太小，整個星球將會迅速陷入難以抑制的冰凍狀態，於是很顯然它也就不再擁有宜居的環境了。」

戴倫·威廉姆斯(Darren Williams)是美國賓夕法尼亞州立大學物理學與天文學教授，他表示過去的氣候模型已經證明在高傾角行星上可能會出現多樣化的氣候模式，這主要取決於其表面的海洋與陸地面積大小。而此次法雷拉研究組的成果也得到了相似的結論，但在細節上更進了一步。

「每1000顆系外行星中大約有1~2顆大小與地球接近，並且密度與水相當，因此我們可以說那種全球被深海覆蓋的系外行星存在的概率至少有0.1%左右。於是我們得到的結論便是：那些具有高傾角的系外行星並不一定是生命的禁區，它們同樣應當是開展天體生物學研究有趣而重要的目標。」

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