冬至、近日點和冥府軌道

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北極平原上冉冉升起的太陽(H. D. Nygren,NOAA Corps。)

當我們的旋轉著的岩石和金屬球體沿著圍繞太陽的穩定路徑執行時,我們再次穿過冬至點,即地球北極指向我們熾熱的恆星父母最遠的點(今年協調世界時 12 月 22 日凌晨 5 點 30 分,幾乎與格林威治標準時間凌晨 5 點 30 分相同)。這給北半球帶來的寒意可能會讓人感到有點困惑,僅僅 12 天后,即 1 月 3 日,地球也會經過其距離太陽最近的點(近日點)。

為什麼我們不會因為這次經過而感到燥熱不安呢?答案是地球的軌道非常接近圓形,因此近日點僅比我們巨大的橢圓軌道環中最遠的點近約 3%。由此產生的太陽輻射增加(百分之幾)確實會使地球變暖一點,但與我們行星傾斜的影響相比,區域性影響很小。因此,對於我們這些在北方的人來說,我們離恆星最近的經過仍然是一件寒冷刺骨的事情。


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在宇宙的其他地方,情況絕對並非總是如此。因此,當您啜飲熱可可,或在燒烤架上拋擲無辜的對蹠點甲殼類動物時,請為一顆不如您自己的星球幸運的行星留一份思念。

HD 80606b:嚴重的反覆曬傷案例

HD 80606b 的軌道與我們太陽系平穩結構的比較(來源:Greg Laughlin)

僅僅 190 光年之外,在大熊座的方向上,有一顆氣體巨行星,質量約為木星的四倍。每 55.5 天,這顆行星會在距離其普通的、類似太陽的母星的溫和、溫帶距離和接收超過 800 倍恆星輻射的極其灼熱的地方之間切換。歡迎來到 HD 80606b,一顆軌道偏心率為 0.93 的行星,其距離恆星最近的距離僅為其最遠距離的 1/29,這是一個驚人地近的距離,僅為恆星半徑的七倍。

因此,HD 80606b 在以極快的速度穿過近日點時,其外部大氣溫度在 6 小時內上升了 700 多攝氏度。我們知道這一點是因為,出於統計上的幸運,HD 80606b 既凌日其恆星母星(直接在我們和恆星盤之間穿過),又在其最接近點之後立即被恆星掩食。後一個事件使天文學家能夠瞥見當這顆行星將其“腳趾”浸入冥府領域時傾瀉而出的紅外輻射。

讓一顆行星遭受這種殘酷的加熱可能會導致一些壯觀的大氣變化,巨大的熱點驅動著巨大的風。流體動力學模擬讓我們對可能發生的事情有了一些瞭解。

HD 80606b 在近日點之前、期間和之後的 視覺化效果(NASA/JPL-Caltech/G. Laughlin 等人)

這部影片從我們在地球上的視角展示了 HD 80606b。起初,這顆行星尚未穿過近日點,藍色是恆星反射向我們的光。動畫開始四秒後是最接近點,現在紅色的光芒是行星自身發出的紅外輻射——相當於一聲熱雷。隨著時間的推移,我們只能看到行星的夜側,因為它再次遠離恆星,但其大氣層仍然很熱,翻滾,並從其近距離遭遇的巨大輻射衝擊中流動出來。

在這種情況下,大自然為我們提供了一個絕妙的實驗裝置,用於理解恆星輻射的極端變化對行星大氣層的影響。每 111 天(外出 55.5 天,返回 55.5 天),HD 80606b 都會經歷同樣的殘酷體驗,為我們提供了另一個觀察和完善我們模型的機會。

雖然這是一個真正非凡的系統,但我們預計許多“類地”世界,即那些即將被發現的世界,將具有比我們家園行星更橢圓的軌道。我們對這會對這些行星上的生命產生什麼影響的初步調查(例如,Dressing、Spiegel、Menou、Raymond 和我本人的工作)產生了一些令人驚訝的答案。相當橢圓的軌道(雖然遠不如 HD 80606b)不一定會使類地、岩石、潮溼的世界變得不適宜居住。雖然在一年中的某些時候,這些行星上的某些位置可能確實會變得非常熱或非常冷,但所謂的“熱慣性”(陸地或海洋不願快速釋放或吸收熱量)可能會使這些世界度過最糟糕的時期——從而緩和極端情況。

因此,當我們度過我們相當溫和的冬至和近日點時,很可能在某個地方的另一個地方,正在為它最糟糕的季節做準備,唯一能安慰它的是,美好的日子即將到來。

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