潮汐锁住的世界，无尽的白天和永恒的夜晚，过渡带是生命的摇篮

• 潮汐锁住的行星只能看到它“向阳”的一面，这对它的气候有影响。在一个场景中，这颗行星就像一个巨大的眼球，如图所示。这颗冰冷的眼球行星的光明面是液态海洋，而黑暗面覆盖着一层冰冷的外壳。

在某些世界上，太阳永不落山。如果一颗行星绕轴旋转一次所花的时间与绕其母恒星公转一周所用的时间相同，那么这颗恒星就会在天空中看起来静止不动。这样的行星只有一个面对着它们的恒星，这种情况被称为潮汐锁定。

潮汐锁住的行星是一个分岔的世界。一边总是白天，另一边是永恒的夜晚。两者之间的边界上有一个细细的螺旋形永恒环，太阳永远在这里落下。在我们自己的太阳系中，许多世界都是潮汐锁定的（包括我们的月球）其他太阳系中围绕自己恒星运行的系外行星也可能是潮汐锁住的。

• 当万有引力使一个天体的自转变慢或加速时，它就会潮汐般地锁定在它的母天体上。在这种情况下，绕轨道运行的天体总是与它的母体呈现相同的一面。我们的月球被潮汐锁在地球上（因此我们只能看到月球的一面），科学家们怀疑许多绕其恒星运行的外行星也可能被潮汐锁住。

许多这样的行星将不适合居住，一边被烘烤，另一边被冰冻。然而，像科幻小说爱好者一样，天文学家们一直在思考这样的世界是否可能孕育生命。现在，复杂的计算机模型和新的数据正在揭示这些潮汐锁住的遥远世界的大气层。这项研究进一步证实了这样一种观点。

自旋放缓

举一个附近的潮汐锁定的例子，我们只需要抬头看一下，我们的月球被潮汐锁定在地球上，这是由于月球与地球的引力相互作用，在数百万年的时间里，月球的自转逐渐变慢的结果。就像月球的引力把我们的海洋甩来甩去，造成潮汐（因此是“潮汐锁定”），恒星的引力拉向绕轨道运行的行星的岩石体，造成隆起。

如果一颗行星的自转速度比它环绕恒星的速度快或慢，那么隆起部分就会稍微偏离中心。随着时间的推移，恒星引力对偏离方向的凸起部分的拖曳作用将逐渐减缓或推动行星的自转，直到它们达到平衡。行星每绕恒星旋转一次，就会恰好绕其轴自转一次。

这种效应在离它们的轨道伙伴非常近的行星上最为明显，这就是为什么月球潮汐地锁定在地球上，而地球却没有潮汐地锁定在太阳上。冥王星和它的卫星“卡戎”也只有一面，它们的轨道非常接近，大小也非常相似，以至于潮汐力使它们的自转同步。

麻省理工学院的行星科学家丹尼尔·科尔说，尽管天文学家没有潮汐锁住世界的确切数目，但“基本的预期”是，许多系外行星都以这种方式与它们的恒星引力相连。

• 冥王星和它的卫星卡戎，在这里从侧面描绘，潮汐锁定对方。通常情况下，一个绕轨道运行的天体与另一个较大的天体在潮汐上相联，但冥王星和卡戎在大小和距离上非常相似，所以它们彼此在潮汐上相联。

这些星体中有许多是极端的地方，既被“烧烤”又被“冷冻”。以一颗名为“55 Cancri e”的大型岩石系外行星为例，它大约每18小时围绕其恒星（类太阳G型）运行一周。

在最近的流体动力学年度回顾中，皮埃安贝尔描述了潮汐锁住的世界的大气层，他说：“天气太热了，在白天就会形成永久的岩浆海洋。”“然后你得到的岩石蒸汽蒸发到大气中，然后在靠近夜幕的地方凝结。所以“雨水”是由一氧化硅之类的物质构成的。”

像地球这样的大气被潮汐锁住的行星可能会相当有效地重新分配热量。其结果可能是产生适合生命生存的环境。

空气和水

在上个世纪之交，天文学家错误地认为金星可能被潮汐锁住了。1903年，谢海华写道：“在这两个永远有白天和黑夜的独立区域之间，必定有一片广袤的玫瑰色朦胧地带，那里的气候条件可能非常适合智慧生物的存在。”

芝加哥大学地球物理学家多里安·阿博特说，科幻小说中也出现了对“过渡带”可居住性的乐观看法。当时的想法是，这颗行星的光明面和黑暗面之间的区域足够温和，足以让水以液态的形式存在，或许还能让生命存活。

研究对这一理论提出了质疑。天文学家称之为“终结者”的过渡带对于需要阳光生存的生物体来说是一个贫瘠的地方。

• 从地球上空拍摄的黄昏，从白天到夜晚的逐渐过渡，吸引了人们的想象，认为这是一个可能支持系外行星生命的地方。但是，如果一颗系外行星有合适的大气层，模糊地带可能不是它唯一适宜居住的部分。

但是如果有合适的大气层，就不需要一个过渡带来支持生命。大气层将热量输送到行星周围，为液态水（或许还有生命）的广泛传播创造了条件。这里有一个平衡，大气的密度必须足够大才能输送热量，但又不能大到让人窒息。相反，如果黑暗的一面变得太冷，它可能会冻结气体，破坏了大气循环。

2016年由阿博特和科尔开发的一项模拟表明，正确的平衡是可以实现的，即一些潮汐锁住的系外行星可以拥有“刚好合适”的大气层，这些大气层可以有效地将热量移动，甚至可以使夜晚的那一面保持温暖。

科尔说：“这很奇怪，因为这将是永久的黑夜，但你可能仍然有类似我们的生命可能存在的条件。”以地球的两极为例，那里虽然阳光稀少，但生命依然存在。“不会太冷，很大程度上是因为风或海洋运动实际上重新分配了热量。”

在地球上，海洋是全球热循环的关键角色。水比空气能储存更多的热能，而且能更有效地将热能传递出去。因此，海洋和大气层一样，在潮汐锁住的系外行星的昼夜两侧保持温度方面发挥着重要作用。

哈佛大学研究系外行星大气的研究员冯丁说，海洋也会导致蒸发，刺激云层的形成，而云层在调节行星环境方面也发挥着重要作用。水在大气中聚集形成的云可以作为一种反射毯，将射入的恒星辐射反射回来，帮助冷却行星。

一些计算机模拟表明，云可以使温度保持在足够低的水平，即使在系外行星上也能形成海洋，否则这些行星可能会滚烫。这些云会形成雨。皮埃尔亨伯特说，在地球的白天，在阳光最强烈的地方产生的强烈上升气流会将温暖潮湿的空气向上移动，造成暴雨。

土地和生活

降雨可以帮助调节潮汐锁住的系外行星的温度，尤其是在有陆地的情况下。在地球上，雨水与裸露的岩石发生反应，以矿物的形式捕获一些碳并将其从大气中带走，这有助于地球降温。皮埃亨伯特说，随着时间的推移，这种化学风化作用也可以使被潮汐锁住的行星上的二氧化碳水平可控。

他推测，其他大气气体也可能使系外行星更适宜居住。例如，氮气可以将水分困在大气中较低的位置，从而有助于防止水分流失。在大气中，氮气暴露在较少的紫外线下，而紫外线会将水蒸气分解为氧气和氢气。一个含氮的大气将有助于维持作为温度关键调节器的液态海洋。

• 围绕“红矮星TRAPPIST-1”运行的系外行星。围绕这颗昏暗的红矮星运行的七颗行星都被认为是潮汐锁定在这颗恒星上的。它位于该恒星的宜居带，这使它成为最有可能存在液态水的“TRAPPIST-1”行星。

科学家们可以将许多这些变量输入到计算机模拟中，但系外行星大气研究都是推测性的。潮汐锁定物体的研究也不例外。首先，能够证明所有这些变量的真实性的数据很少。大多数系外行星的大气天文学一直局限于那些看起来不太像地球的行星。它们要大得多，经常被厚厚的大气层所覆盖，比如海王星和天王星。

但新的仪器，如美国宇航局的凌日系外行星研究卫星（TESS）将大大增加已探测到的系外行星的数量。当NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜在2021年发射时（尽管可能因为冠状病毒大流行而推迟发射），它将允许对系外行星进行更详细的观测，包括其大气组成的数据。

这些数据将帮助天文学家完善他们的模型，更好地理解任何行星适宜居住的条件，包括那些遥远的、潮汐锁定的行星。有可能存在数万亿的系外行星，可能会有浅海可以形成生命，有温暖的大陆可以让生物生长或爬行，还有大气层可以让它们飞向天空。在那里，在永远存在的外星太阳的永恒光芒下，生命可以兴旺发达。