一颗一面永远处于炙烤状态、另一面在无尽黑暗中冰封的行星，可能仍有机会维持生命。研究人员发现，潮汐锁定系外行星内部的热量能够形成稳定的连续循环，有助于调节特定区域的温度。他们的实验室模型表明，尽管地表环境极端，这些星球可能比此前认为的更宜居。
乍看之下，这种极端环境似乎完全不适合生存。白昼侧的温度可达约1000到2000开尔文，而黑夜侧则冷得连粒子运动都实际上停止了。然而，新的研究表明，这些世界对生命的恶劣程度可能并不像其外表那样严重。
“仅看白昼侧和黑夜侧的极端温度——比如白昼侧的1000-2000开尔文和黑夜侧的绝对零度——可能会让人得出结论，认为这些系外行星对生命来说太严酷了。但是，”宾夕法尼亚大学Hugo Ulloa Penn GEFLOW实验室的博士后研究员Daisuke Noto说，“生命可能会找到出路。”
在发表于《自然-通讯》的一项研究中，Noto及其来自日本海洋研究开发机构和北海道大学的合作者发现，“此类系外行星可能更有能力维持生命，因为‘潮汐锁定’可以通过横向分配热通量，有助于在局部维持适度的热环境。”
为何潮汐锁定系外行星如此普遍
这些发现挑战了关于总是同一面朝向恒星的行星的普遍假设。据Noto所说，拥有永久白昼和黑夜的世界实际上比像地球这样经历规律昼夜循环的行星要普遍得多。
“许多天体，如卫星和非常靠近其母恒星的行星，都属于我们所说的潮汐锁定，”他解释道。“这意味着，当它们绕轴自转并绕母星公转时，这些速率/频率是匹配的，从而导致像我们只能看到月球一面的现象。”
这种恒定的朝向在行星上造成了剧烈的温差。研究人员没有只关注表面状况，而是想了解行星深处发生了什么，特别是在地幔内部，即位于地壳和地核之间的厚岩石层。
在实验室中重现外星行星
该团队没有仅依赖计算机模拟，而是建立了一个物理实验室模型来模拟潮汐锁定行星的内部。
“在实验室里建造一个真正的系外行星不在预算之内，”Noto开玩笑说。
相反，研究人员使用了一个装满粘性甘油和微小热致变色液晶的台式矩形槽，这些液晶会随温度变化而改变颜色。类似的实验系统长期以来一直被用于研究热量如何在缓慢移动的材料中传递，这使它们成为行星岩石内部的有用替代品。
与受地球自转和重力强烈影响的天气或洋流不同，岩石地幔内部的对流主要由温度和密度差异驱动。为了重现这些条件，团队在水槽周围安装了四个恒温器来加热和冷却不同区域，从而产生类似于潮汐锁定系外行星上永久光照侧、永久黑暗侧、表面和深部内部之间预期的温度梯度。
行星热机
实验揭示了一个非常稳定的模式。热物质持续在白昼侧下方上升，流经上部区域，到达黑夜侧时冷却，然后下沉，再通过下地幔返回。结果形成了一个连续的循环回路，表现得像平稳的行星心跳。
“它不像地球的地幔那样混乱，”Noto说。“它缓慢而稳定。可预测。有点无聊——但在某种意义上是好事。”
研究人员还观察到偶尔有蘑菇状羽流从水槽加热的底部升起。与地球上的火山热点（如夏威夷或冰岛下方的热点）不同，这些羽流固定在一个位置，而不是随时间漂移。
对热量传输的测量值（称为努塞尔数）与地球地幔的观测值相当。这一发现表明，一些潮汐锁定系外行星可能维持局部的地热环境，提供有利于生命的条件，特别是在更温和的中纬度地区。
这对地外生命意味着什么
这种稳定的循环模式可能不仅影响表面温度。Noto认为它还可能影响行星液态核心的运动，从而可能产生与地球熟悉的偶极场不同的磁场。
“那是我们在这次实验中无法测试的东西，”他说，“但这是未来工作中一个令人兴奋的方向。”
展望其他世界之外
Noto和Ulloa正在继续开发类似的实验室模型，以研究广泛的地球物理过程。Penn GEFLOW实验室早期的研究探讨了热量和质量如何通过受限空间移动，为流体在热液系统中的作用提供了新见解。
“我们计划进一步扩展实验方法，深入探究地球上不同背景下的不同系统，其可能性简直不可估量，”Noto说。
Daisuke Noto是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院的博士后研究员。
Hugo Ulloa是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院地球与环境科学系的助理教授。
其他作者包括日本海洋研究开发机构的Takehiro Miyagoshi和Takatoshi Yanagisawa；以及北海道大学的Tomomi Terada和Yuji Tasaka。