潮汐锁定系外行星：永恒白昼与无尽黑夜能否孕育生命？

潮汐锁定：永恒的白昼与黑夜

天文学家发现了一颗名为LHS 3844b的系外行星，它略大于地球，距离地球约48.5光年，绕着一颗红矮星运行。这颗行星最引人注目的特征是它的自转周期与公转周期完全同步，就像月球始终以同一面朝向地球一样，LHS 3844b的一侧永远面向恒星，另一侧永远背向恒星。面朝恒星的半球永恒沐浴在烈日之下，表面温度可达1000-2000开尔文，足以熔化岩石；而背向恒星的半球则陷入永久的黑暗，冷到粒子几乎停止运动，接近绝对零度（0开尔文）。

这种极端的环境让大多数科学家认为，这样的行星不可能存在生命。然而，宾夕法尼亚大学GEFLOW实验室的博士后研究员Daisuke Noto却提出了一个大胆的问题：“生命或许能找到出路。”他领导的研究团队在《自然·通讯》上发表论文，指出潮汐锁定行星可能比我们想象的更宽容——通过横向热通量分布，它们能在局部区域维持温和的热环境。

实验室里的“外星地幔”

为了验证这一想法，Noto和合作者（来自日本海洋研究开发机构和北海道大学）设计了一个巧妙的模拟实验。他们没有真的建造一颗行星，而是用一个桌面大小的矩形水箱，里面装满粘稠的甘油，并混入热致液晶颗粒——这些颗粒会随温度变化改变颜色。这种装置沿用了经典的地球物理模拟方法，用于研究温度梯度和几何形状如何影响慢速、分层系统中的对流。

与大气或海洋系统不同，地幔对流主要受温度和密度差异驱动，特别是在岩石行星缓慢的内部。团队在水箱边缘放置了四个温控器，分别模拟行星的日侧和夜侧、表面和深部，从而在箱内制造出类似LHS 3844b的极端温差梯度。

稳定的“行星心跳”

实验结果显示，地幔流动形成了一种持续循环的模式：热物质在日侧上升，沿顶部流向夜侧，冷却后下沉，再沿底部流回日侧。这种单一大环流像行星的“心跳”一样稳定而持久。Noto形容道：“它不像地球地幔那样混乱，而是缓慢、稳定、可预测——有点无聊，但这是好事。”

除了这个大环流，偶尔还会从水箱底部升起蘑菇状的热柱（plumes）。与地球上的热点（如夏威夷或冰岛）不同，这些热柱不会漂移，而是始终固定在相同的位置。通过计算努塞尔数（衡量热传输效率的指标），研究人员发现LHS 3844b的地幔热传输效率与地球相当。这意味着，在行星的中纬度地区，可能存在局部的地热条件，能够为生命所需的化学过程提供适宜的温度。

对宜居性的启示与未来方向

Noto推测，这种持续的单半球地幔流还可能影响行星的液态核心，从而产生与地球偶极磁场不同的磁场。虽然现有实验无法验证这一点，但这为未来研究指明了方向。

团队成员正在利用类似的实验室模拟方法，探索更多不同的地球物理系统。此前的研究已经揭示了狭小空间内质量和热传输的机制，阐明了流体在热液系统中的作用。Noto表示：“我们计划进一步扩展实验方法，更深入地研究地球上不同系统中的不同过程。可能性确实超出了这个世界。”

这项研究为理解潮汐锁定系外行星的宜居性开辟了新视角。尽管这些行星的表面环境极端严酷，但其内部的地幔对流可能创造出局部温和的“避难所”，让生命在看似不可能的地方找到立足之地。未来，结合更先进的望远镜观测和更精细的模型，天文学家或许能直接探测到这些潜在宜居区域的信号。

原标题：Could exoplanets locked in eternal day and endless night support life?。 来源：phys.org。

阅读原文