地球能够像围绕两个太阳旋转的行星那样存在吗?

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地球能够像两个太阳之间的行星那样存在吗?

如果有两个太阳相互旋转会怎么样?

在很长一段时间里,这只是一个纯理论的问题。然后,在过去十左右的时间里,天文学家发现了十几个已经确认的“双星行星”实例——其运行轨道环绕双星。(注意:也发现了行星环绕具有遥远伴星的恒星运转的实例。但这与前文中的问题截然不同)。

图解:一个国际科学家团队发现所人类见过最明亮的伽玛射线双星(gamma-ray binary),命名为LMC P3,是在邻近一个名为大麦哲伦星云(Large Magellanic Cloud,LMC)的小星系发现的,距离163000光年。图源:huanqiujiemi.

一个典型的有意思的实例就是开普勒1647b行星,它环绕着两个类似太阳的恒星运转。这颗行星居住在“宜居地带”:离两个恒星的距离刚刚好,可使星球上的水呈现液态。

图解:在46亿年前太阳系诞生时,宇宙中只有8%适合人类居住的行星产生。地球是宇宙宜居行星中的“早产儿”。图源:twwtn.

如果地球也有两个太阳,会发生什么?让我们设想一个简单的场景。假设我们用两个匹配的恒星代替太阳,这两颗恒星分别有太阳的一半亮度。这样,到达地球的能量总量是相同的,生命仍可能存在。这样质量均等的双星并不罕见,所以这个场景很合理。

这两个新太阳——接下来我会分别将其称为“一号太阳”和“二号太阳”——每个的质量会是现在太阳质量的85%。似乎有点不可思议,但是恒星的亮度对恒星的质量极为敏感。简单来说,亮度是质量的4次方,所以恒星质量增加为原来的2倍,它的亮度会蹭加为原来的16倍(24=2×2×2×2=16)。减少15%的质量足以将太阳的亮度降低为原来的一半。

一号太阳和二号太阳的质量加起来是现在太阳质量的1.7倍。因为它们的总质量变大了,一年的长度就会减少一些:大约是280天,而不再是365天。这样的改变确实不算很多。

到现在为止,一切都还不错。但环绕两个恒星运转的地球会在它的新配置里稳定待着吗?开普勒1647行星以及其他双星行星给出了肯定的答案。只要与行星的距离至少是两颗恒星之间的距离的4倍,这颗行星就会愉快地围绕两颗恒星的质心旋转。如果一号太阳和二号太阳之间的距离低于一千五百万公里,那么太阳系所有的行星(甚至是水星)都可能维持稳定。

图解:开普勒-1647b(Kepler-1647b)是由圣地亚哥州立大学的研究团队通过开普勒太空望远镜发现的迄今最大的环双星行星,是人类已知的拥有最长运行轨道的凌日行星之一。它环绕其宿主恒星需要1107天即三年多的时间。图源:baidu.

为了安全起见,让我们把这两颗恒星推得更近一些,大概五百万公里远。这与开普勒1647的两颗恒星没什么不同,它们俩相隔七百万公里远。我们的一号太阳和二号太阳围绕彼此旋转一次需要十天左右的时间。两个太阳同样会自传十天左右,这使得它们比现在的太阳更活跃。开普勒1647行星相当平静。

从地球上看,这两个太阳大致彼此绕行,这会导致一种奇怪的新现象:一个太阳使另一个太阳黯然失色、发生日食现象。因为旋转轨道是十天一个周期,一号太阳和二号太阳分别会在彼此前面五天。根据精确几何,日食会持续6个小时左右,在高峰期到达地球的能量总量会减少30-40%左右。

日食的日子会很寒冷,但是日照减少期很短,足以缓慢地中和地球的总体气候。两个太阳在天上看起来不会很奇怪。在相隔最远时,两个太阳在天空中只有两度远,只够使影子具有双重边缘。在日食的两侧大约半天,它们似乎合并了,虽然如果它们滑到一朵云后面,你会在两个重叠的圆盘上看见一个奇怪的椭圆形阴影。日落会很瑰丽绚烂,每晚都有所不同。

图解:两个太阳。图源:sina.

那么,到目前为止所有的证据表明,一颗类似电影《星球大战》中的塔图因这样的行星确实存在,如果地球绕着双星而不是一个孤独的太阳公转,地球就可以了。

图解:塔图因(Tatooine),旧译塔图音,是《星球大战》中天行者家族的故乡行星。它被设定为一颗巨大的沙漠星球,属于星系外层空间(Outer Rim)的阿卡尼斯区域(Arkanis Sector),是一颗围绕着一个双星系统运动的行星。图源:baike.

开普勒1647b行星是一个巨大的气体星球,其质量大约是木星质量的两倍。即使是所知的最小的外行星——开普勒453b——也是重量级的,其质量是海王星质量的两倍。

也许是因为双星的环境太混乱了,很难制造像地球一样的小型岩石星球。那么,再强调一遍,有两个太阳的地球很常见,只是我们的望远镜不够精细发现不了它们。至少,现在还没发现。

幸运的是,更好的设备即将问世。在过去的十年,柏拉图太空望远镜和大量新的地面观测站——比如大麦哲伦望远镜和超大望远镜——会告诉我们更多环绕恒星的行星种类,包括环绕两颗恒星的类地行星。

图解:大麦哲伦望远镜。图源:baike.

参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3. Quora-精卫- forbes

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