潮汐锁定星球虽然环境极端特殊,但天体生物学家们却发现了多种线索来佐证其宜居潜力,如核心判断依据就是终结者区域的环境稳定性,假如一颗行星处于潮汐锁定状态,也就是始终以同一面朝向主恒星,那么通过观测该区域的温度梯度和大气环流,便可以初步判断生命存在的可能性。
如果能进一步探测到该区域的液态水信号和大气成分,还可以精准锁定宜居范围。不过潮汐锁定状态的宜居性分析仅适用于有大气层的行星,而如果是无大气的潮汐锁定星球,那么就需要重点关注地下环境的热稳定性。
所谓潮汐锁定星球的终结者区域,就是行星永恒白昼面与永恒黑夜面的交界地带,这一区域既不承受主恒星的持续暴晒,也不会陷入永夜的极寒,其环境参数包含温度、光照、大气流动等关键宜居指标,因此,终结者区域的环境稳态程度直接反映了星球的宜居潜力。
天体生物学家在长期的模拟研究中发现,终结者区域的宜居阈值与主恒星类型密切相关,主恒星质量越小、辐射越温和,该区域的宜居范围就越广。也就是说通过主恒星的光谱类型就能大概的推测出终结者区域的宜居条件,目前我们最常用的宜居性评估体系,是美国NASA在21世纪初提出的“恒星宜居带扩展模型”。
通过这一评估体系我们可以得知,红矮星周围的潮汐锁定行星是重点观测对象,因为红矮星的质量仅为太阳质量的0.08-0.5倍,辐射强度低且寿命长,所以其周围潮汐锁定行星的终结者区域更易形成稳定环境。通过对终结者区域的综合分析不仅能够判断宜居性,还能推测可能存在的生命形态。
根据天体生物学家的研究发现,终结者区域的生命适应性与环境稳定性呈正相关关系,也就是说环境参数波动越小的区域,生命诞生和演化的概率就越高,环境波动越大的区域,生命存续的难度就越大。我们知道生命存续的核心需求是液态水和稳定能量供给,由于终结者区域处于阴阳交界的特殊位置,温度介于白昼面的炽热和黑夜面的极寒之间,液态水更易留存,而大气环流则能持续输送能量和物质。
因此具备稳定大气的潮汐锁定星球,其终结者区域宜居性极强,如距离地球39光年的TRAPPIST-1e,其终结者区域温度稳定在0-20℃之间,而无大气的潮汐锁定星球,如月球,其昼夜交界带温度波动可达数百摄氏度,完全不具备宜居条件。由此通过分析终结者区域的环境参数,就能够确定潮汐锁定星球的生命宜居等级。
那么潮汐锁定星球终结者区域的宜居性是如何探测验证的呢?虽然这些星球距离我们十分遥远,但我们仍可以通过多种观测技术得出关键数据。
第一种是凌日光谱法,该方法一般用于测量距离地球300光年之内的系外行星。并且需要用到空间望远镜的高分辨率光谱仪。因为行星凌日时会有部分大气成分被主恒星光照亮,而我们通过对比凌日前后的恒星光谱,就能分析出行星大气中的水汽、氧气等关键成分,进而判断终结者区域的大气稳定性。
第二种是热辐射成像法,这是一种通过探测行星热辐射信号来分析温度分布的技术,其观测精度具有周期性特征,会随着行星的公转姿态变化呈现规律波动,这个周期我们称之为热辐射周期。并且它的热辐射周期与行星自转周期一致,而天体生物学家通过热辐射周期来估算出终结者区域的温度梯度,然后就可以判断液态水留存的可能性。
第三个是数值模拟推演法,在上个世纪的90年代,一组来自美国加州理工学院的天体物理学家在研究系外行星环境时,提出了潮汐锁定行星的大气环流模型,所谓大气环流模型是指通过计算机模拟行星大气在光照差异下的流动规律,当行星处于潮汐锁定状态时,白昼面的热空气上升,黑夜面的冷空气下沉,形成跨昼夜的环流系统,反之如果行星有自转周期,大气环流会呈现更复杂的多带结构,也就是类似地球的信风带和西风带。
由此当时研究团队得出结论,有大气的潮汐锁定行星普遍存在稳定的环流系统,并且还发现主恒星辐射强度越低,环流系统的稳定性就越强。这意味着我们只要测出主恒星的辐射参数和行星的大气厚度,就可以精准推演终结者区域的环境状态,为生命存在的可能性提供核心依据。