潮汐鎖住的世界，無盡的白天和永恒的夜晚，過渡帶是生命的搖籃
- 潮汐鎖住的行星只能看到它“向陽”的一面，這對它的氣候有影響。在一個場景中，這顆行星就像一個巨大的眼球，如圖所示。這顆冰冷的眼球行星的光明面是液態海洋，而黑暗面覆蓋著一層冰冷的外殼。
在某些世界上，太陽永不落山。如果一顆行星繞軸旋轉一次所花的時間與繞其母恒星公轉一周所用的時間相同，那么這顆恒星就會在天空中看起來靜止不動。這樣的行星只有一個面對著它們的恒星，這種情況被稱為潮汐鎖定。潮汐鎖住的行星是一個分岔的世界。一邊總是白天，另一邊是永恒的夜晚。兩者之間的邊界上有一個細細的螺旋形永恒環，太陽永遠在這里落下。在我們自己的太陽系中，許多世界都是潮汐鎖定的（包括我們的月球）其他太陽系中圍繞自己恒星運行的系外行星也可能是潮汐鎖住的。- 當萬有引力使一個天體的自轉變慢或加速時，它就會潮汐般地鎖定在它的母天體上。在這種情況下，繞軌道運行的天體總是與它的母體呈現相同的一面。我們的月球被潮汐鎖在地球上（因此我們只能看到月球的一面），科學家們懷疑許多繞其恒星運行的外行星也可能被潮汐鎖住。
許多這樣的行星將不適合居住，一邊被烘烤，另一邊被冰凍。然而，像科幻小說愛好者一樣，天文學家們一直在思考這樣的世界是否可能孕育生命。現在，復雜的計算機模型和新的數據正在揭示這些潮汐鎖住的遙遠世界的大氣層。這項研究進一步證實了這樣一種觀點。自旋放緩
舉一個附近的潮汐鎖定的例子，我們只需要抬頭看一下，我們的月球被潮汐鎖定在地球上，這是由于月球與地球的引力相互作用，在數百萬年的時間里，月球的自轉逐漸變慢的結果。就像月球的引力把我們的海洋甩來甩去，造成潮汐（因此是“潮汐鎖定”），恒星的引力拉向繞軌道運行的行星的巖石體，造成隆起。如果一顆行星的自轉速度比它環繞恒星的速度快或慢，那么隆起部分就會稍微偏離中心。隨著時間的推移，恒星引力對偏離方向的凸起部分的拖曳作用將逐漸減緩或推動行星的自轉，直到它們達到平衡。行星每繞恒星旋轉一次，就會恰好繞其軸自轉一次。這種效應在離它們的軌道伙伴非常近的行星上最為明顯，這就是為什么月球潮汐地鎖定在地球上，而地球卻沒有潮汐地鎖定在太陽上。冥王星和它的衛星“卡戎”也只有一面，它們的軌道非常接近，大小也非常相似，以至于潮汐力使它們的自轉同步。麻省理工學院的行星科學家丹尼爾·科爾說，盡管天文學家沒有潮汐鎖住世界的確切數目，但“基本的預期”是，許多系外行星都以這種方式與它們的恒星引力相連。- 冥王星和它的衛星卡戎，在這里從側面描繪，潮汐鎖定對方。通常情況下，一個繞軌道運行的天體與另一個較大的天體在潮汐上相聯，但冥王星和卡戎在大小和距離上非常相似，所以它們彼此在潮汐上相聯。
這些星體中有許多是極端的地方，既被“燒烤”又被“冷凍”。以一顆名為“55 Cancri e”的大型巖石系外行星為例，它大約每18小時圍繞其恒星（類太陽G型）運行一周。在最近的流體動力學年度回顧中，皮埃安貝爾描述了潮汐鎖住的世界的大氣層，他說：“天氣太熱了，在白天就會形成永久的巖漿海洋。”“然后你得到的巖石蒸汽蒸發到大氣中，然后在靠近夜幕的地方凝結。所以“雨水”是由一氧化硅之類的物質構成的。”像地球這樣的大氣被潮汐鎖住的行星可能會相當有效地重新分配熱量。其結果可能是產生適合生命生存的環境。空氣和水
在上個世紀之交，天文學家錯誤地認為金星可能被潮汐鎖住了。1903年，謝海華寫道：“在這兩個永遠有白天和黑夜的獨立區域之間，必定有一片廣袤的玫瑰色朦朧地帶，那里的氣候條件可能非常適合智慧生物的存在。”芝加哥大學地球物理學家多里安·阿博特說，科幻小說中也出現了對“過渡帶”可居住性的樂觀看法。當時的想法是，這顆行星的光明面和黑暗面之間的區域足夠溫和，足以讓水以液態的形式存在，或許還能讓生命存活。研究對這一理論提出了質疑。天文學家稱之為“終結者”的過渡帶對于需要陽光生存的生物體來說是一個貧瘠的地方。- 從地球上空拍攝的黃昏，從白天到夜晚的逐漸過渡，吸引了人們的想象，認為這是一個可能支持系外行星生命的地方。但是，如果一顆系外行星有合適的大氣層，模糊地帶可能不是它唯一適宜居住的部分。
但是如果有合適的大氣層，就不需要一個過渡帶來支持生命。大氣層將熱量輸送到行星周圍，為液態水（或許還有生命）的廣泛傳播創造了條件。這里有一個平衡，大氣的密度必須足夠大才能輸送熱量，但又不能大到讓人窒息。相反，如果黑暗的一面變得太冷，它可能會凍結氣體，破壞了大氣循環。2016年由阿博特和科爾開發的一項模擬表明，正確的平衡是可以實現的，即一些潮汐鎖住的系外行星可以擁有“剛好合適”的大氣層，這些大氣層可以有效地將熱量移動，甚至可以使夜晚的那一面保持溫暖。科爾說：“這很奇怪，因為這將是永久的黑夜，但你可能仍然有類似我們的生命可能存在的條件。”以地球的兩極為例，那里雖然陽光稀少，但生命依然存在。“不會太冷，很大程度上是因為風或海洋運動實際上重新分配了熱量。”在地球上，海洋是全球熱循環的關鍵角色。水比空氣能儲存更多的熱能，而且能更有效地將熱能傳遞出去。因此，海洋和大氣層一樣，在潮汐鎖住的系外行星的晝夜兩側保持溫度方面發揮著重要作用。哈佛大學研究系外行星大氣的研究員馮丁說，海洋也會導致蒸發，刺激云層的形成，而云層在調節行星環境方面也發揮著重要作用。水在大氣中聚集形成的云可以作為一種反射毯，將射入的恒星輻射反射回來，幫助冷卻行星。一些計算機模擬表明，云可以使溫度保持在足夠低的水平，即使在系外行星上也能形成海洋，否則這些行星可能會滾燙。這些云會形成雨。皮埃爾亨伯特說，在地球的白天，在陽光最強烈的地方產生的強烈上升氣流會將溫暖潮濕的空氣向上移動，造成暴雨。土地和生活
降雨可以幫助調節潮汐鎖住的系外行星的溫度，尤其是在有陸地的情況下。在地球上，雨水與裸露的巖石發生反應，以礦物的形式捕獲一些碳并將其從大氣中帶走，這有助于地球降溫。皮埃亨伯特說，隨著時間的推移，這種化學風化作用也可以使被潮汐鎖住的行星上的二氧化碳水平可控。他推測，其他大氣氣體也可能使系外行星更適宜居住。例如，氮氣可以將水分困在大氣中較低的位置，從而有助于防止水分流失。在大氣中，氮氣暴露在較少的紫外線下，而紫外線會將水蒸氣分解為氧氣和氫氣。一個含氮的大氣將有助于維持作為溫度關鍵調節器的液態海洋。- 圍繞“紅矮星TRAPPIST-1”運行的系外行星。圍繞這顆昏暗的紅矮星運行的七顆行星都被認為是潮汐鎖定在這顆恒星上的。它位于該恒星的宜居帶，這使它成為最有可能存在液態水的“TRAPPIST-1”行星。
科學家們可以將許多這些變量輸入到計算機模擬中，但系外行星大氣研究都是推測性的。潮汐鎖定物體的研究也不例外。首先，能夠證明所有這些變量的真實性的數據很少。大多數系外行星的大氣天文學一直局限于那些看起來不太像地球的行星。它們要大得多，經常被厚厚的大氣層所覆蓋，比如海王星和天王星。但新的儀器，如美國宇航局的凌日系外行星研究衛星（TESS）將大大增加已探測到的系外行星的數量。當NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡在2021年發射時（盡管可能因為冠狀病毒大流行而推遲發射），它將允許對系外行星進行更詳細的觀測，包括其大氣組成的數據。這些數據將幫助天文學家完善他們的模型，更好地理解任何行星適宜居住的條件，包括那些遙遠的、潮汐鎖定的行星。有可能存在數萬億的系外行星，可能會有淺海可以形成生命，有溫暖的大陸可以讓生物生長或爬行，還有大氣層可以讓它們飛向天空。在那里，在永遠存在的外星太陽的永恒光芒下，生命可以興旺發達。
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