顛覆認知！行星軌道越 “狂野”，反而越容易孕育生命？

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫專欄

周三 · 視頻天象|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|周六 · 茶余星話|周日 · 太空探索

原作：Sean Raymond

翻譯：劉海牧

校對：王茸 尹天任

審閱：繆征一

美編：周英杰

后臺：胡永葳

• 地球冰期與天文驅動力

地球歷史上至少經歷過五次主要冰河時期。在這些漫長的全球性寒冷降溫期里，地球大部分區域曾被冰雪覆蓋，時間長達1億年。盡管當前地球正經歷人為導致的全球變暖，但一個看似反直覺的事實是：我們其實正處于一場始于約260萬年前的第四紀冰河時期中——幸運的是，在這個冰河期背景下，我們目前正處于“間冰期”：過去約1.1萬年來，地球的冰蓋和冰川一直在慢慢融化、收縮。

一提到“冰河時期”，人們很容易聯想到猛犸象在積雪覆蓋的平原上漫步，人類祖先則在冰封的地面上艱難跋涉，靠狩獵猛犸象為生，在極端惡劣的環境里勉強維持生存。但事實上，我們或許該深深感激地球這些宏大而戲劇性的氣候變化——科學家們正逐漸發現：一顆行星的氣候如果出現劇烈波動，或許恰恰說明它可能具備宜居條件，而驅動這些變化的力量，來自宇宙尺度的天文運動。

• 米蘭科維奇理論實證

地球之所以會長期交替出現寒冷與溫暖的氣候，很大程度上是因為它在圍繞太陽運行時，軌道路徑以及相對太陽的傾斜角度會發生細微變化。這一觀點如今已被廣泛認可，不過，用天文證據來鞏固并證實它，卻花費了數十年的時間。

早在 17 世紀初，約翰內斯?開普勒就提出 “行星繞太陽的軌跡其實是橢圓形” 的觀點；自此之后，西方天文學家便知曉地球的軌道并非完美的圓形。但地球軌道的精確形狀——即 “偏心率”（這一指標用于衡量軌道離完美圓形的偏離程度）——始終處于變化之中。地球的軌道偏心率大約每10萬年便會完成一次振蕩：振蕩過程中，它有時接近完美圓形（此時偏心率小于1%），有時則會達到約6%的最大偏心率。

我們可能要大大感謝地球這些宏大而動態的變化?

與此同時，地球自轉軸的傾斜角度,即“轉軸傾角”，大約每4.1萬年就會在22度到24.5度之間波動。當前地球的轉軸傾角是23.5度，這個角度直接決定了季節的強度，以及熱帶地區的寬度。除此之外，地球自轉軸的“指向”也在慢慢變化，大約每2.6萬年變化一圈——就像陀螺旋轉時“頂端”會慢慢畫圈一樣——這會讓天空中恒星的位置看起來在緩慢移動，這種現象就是“歲差”。

直到20世紀初，塞爾維亞天文學家米盧廷?米蘭科維奇（MilutinMilankovi?）才率先提出“天文變化驅動氣候變化”的理論——他認為，地球的冰期與地球軌道偏心率、轉軸傾角及歲差的變化密切相關。

數十年后的1976年，哥倫比亞大學地球科學家詹姆斯?D?海斯（JamesD.Hays）領導了一項里程碑式研究。研究團隊通過分析海底沉積物，首次證實了冰期具有周期性：數據顯示，地球過往的氣候記錄中，確實存在2.6萬年、4.1萬年和10萬年的時間尺度印記，而這些印記恰好與地球軌道形狀及自轉變化的周期相匹配。這也成為最早證實“米蘭科維奇循環”存在的具體證據之一。

如今，許多天文學家在廣泛搜尋可能孕育生命的行星時，正收集到越來越多的證據：一顆行星的軌道與位置振蕩得越極端，對生命或許反而越友好。

• 宜居性革新與系外行星

過去，人們普遍認為：行星若擁有完美的圓形軌道，將為生命的發展與存續提供最佳條件。當然，生命的“孕育配方” 中還包含諸多關鍵因素——至少對我們目前已知的生命形式來說是如此。其中一個核心因素是行星與恒星的軌道距離：它決定著行星的平均溫度，而這也引出了“宜居帶” 的概念——在這一區域內，行星的氣候條件恰到好處：既不過冷，也不過熱，足以支撐液態水的存在。

一顆具備潛在宜居性的行星，還需擁有厚度適中的大氣層（既不過厚，也不過薄），恰好能讓恒星輻射的熱量與能量以適宜的比例抵達行星表面。此外，板塊構造也可能發揮作用：它通過移動行星外層的板塊，將地核中的重要元素與熱量輸送至地表。除了這些已知條件，近年來，行星的軌道偏心率與轉軸傾角，也逐漸被視為影響宜居性的重要因素。

如今，一幅新的圖景正逐漸清晰：若一顆行星的軌道偏心率、轉軸傾角與歲差經歷了劇烈變化，它或許具備“超宜居性”。這意味著，冰期與暖期反復交替的行星，可能比氣候長期穩定的行星更易孕育生命體。這一觀點最早由當時任職于麥克馬斯特大學的雷內?海勒（RenéHeller）與韋伯州立大學的約翰?阿姆斯特朗（JohnArmstrong），在2014年的一篇開創性論文中提出。若這一觀點成立，宇宙中可能孕育生命的行星數量將大幅提升。

近期有一系列研究通過計算機，模擬了“具有特殊軌道與自轉狀態的巖石系外行星”所處的假設環境。結果顯示，與傳統認知不同：無論是陸地主導的行星，還是海洋主導的行星，似乎都能從“極橢圓軌道”或“高度傾斜的自轉軸”中獲益。那些與地球類似、但軌道與地球不同的行星，或許和地球一樣適合孕育生命，甚至可能更適合。

要知道，系外行星中“非圓形軌道”其實十分普遍：有半數氣態巨行星的偏心率超過25%，這意味著它們的軌道拉伸幅度比木星或土星的軌道還要大，甚至超過五倍。這一發現為行星宜居性研究開辟了全新領域。

2023年《天體物理學雜志》發表了一項研究，專門模擬了一顆行星需滿足哪些條件才能具備“超宜居性”。這項研究由普渡大學的喬納森?杰尼根（JonathanJernigan）及其同事共同開展，研究團隊將氣候模型與三維生物地球化學模型相結合——其中，三維生物地球化學模型能通過數學方法捕捉“滋養類地行星海洋生命的主要化學反應”，同時還會納入海洋環流、熱量傳輸及鹽度傳輸等影響因素。

研究人員發現，這些假設行星的海洋生物生產力，會隨軌道偏心率或轉軸傾角的增大而提升。這是因為這些變化會擴大地表溫度差異，進而增強海洋的垂向混合作用。這種垂向混合有時被稱為“生物泵”，它能將上層海洋（該區域光合作用活躍）中的有機物質輸送至深海，同時將深海的營養物質帶回上層海洋。研究顯示，當轉軸傾角增至90度、或偏心率增至40%時，海洋總生產力最多可提升3至4倍；盡管特定區域的生產力會出現明顯季節性波動，但從全球范圍來看，這類行星的凈生產力遠高于零傾斜度和圓形軌道的行星。

全在搖擺中：最近發現的系外行星HD20794d以橢圓軌道繞其恒星運行。這種細長路徑使其在一年中的大部分時間里處于樂觀或保守的宜居帶內。

圖片來源：Nari,N.等人，《天文學與天體物理學》（2025年）

這一結果大大拓寬了宇宙中“潛在生命棲息地” 的范圍。截至目前，人類已發現超過5000 顆系外行星，其中有29 顆巖石行星處于宜居帶內。這些巖石行星大多位于“多行星系統” 中：這類系統里，除了這些巖石行星外，還存在其他大小相近的行星，偶爾也會有冰巨星或氣態巨行星——此外，還有大量行星可能因當前探測技術的局限，尚未被探測到。它們的伴星行星會引發巖石行星的軌道偏心率與自轉狀態出現振蕩，且振蕩的幅度和時間尺度可能存在極大差異。過去，天文學家普遍認為這類行星必然不具備宜居性，但新模型的結論卻告訴我們：實際情況恰恰相反。

不過，“極端條件”需要達到什么程度才合適呢？今年早些時候發表的一項研究給出了不同視角：哥倫比亞大學與戈達德太空研究所的保羅?勒納（PaulLerner）領導團隊，采用不同的代碼與技術開展了一組類似模擬。他們發現，當轉軸傾角高達45度時，海洋生物生產力會適度提升（增幅最高達15%）；可一旦轉軸傾角超過這一數值，生產力便會隨之下降。

這種振蕩似乎也能為陸地創造適宜生命生存的條件。2024年，利茲大學的BinghanLiu領導的一項研究發現，類地行星若處于橢圓軌道，其表面宜居性會有所提升。該團隊專門模擬了兩種軌道場景的氣候：一種是圓形軌道，另一種是偏心率為40%的軌道（兩種場景下，行星的傾斜度均為零）。

模型結果顯示，擁有橢圓軌道的行星，其“溫度適合生命生存的陸地面積”（即溫度介于0至50攝氏度之間），比完全圓形軌道的行星多出了相當大一部分——超過25%。此外，模擬中的“橢圓軌道類地行星”總體更溫暖（溫度高出幾度）。這種更溫暖的陸地空間的增加，源于橢圓軌道類地行星的大氣循環模式：它能更有效地將赤道地區的暖空氣抬升，并輸送到更高緯度區域。

• 冰期因素與外部干擾

最近發表于《科學》雜志的一項研究，成功厘清了地球軌道偏心率、轉軸傾角與歲差變化各自的影響。英國卡迪夫大學的斯蒂芬?巴克（StephenBarker）領導團隊，進一步揭示了冰期的持續時間、嚴重程度與這三個因素的關聯。簡而言之，這些動態變化直接決定了地球接收太陽能量的總量：當地球軌道為非圓形時，地球在近日點會接收到更多太陽能，極端情況下，近日點接收的太陽能可比遠日點多25%。而這些能量在地球上的分布，則取決于轉軸傾角與歲差。通常轉軸傾角越高，北半球高緯度地區接收的能量越多，但這一情況僅在地球自轉軸指向太陽時出現；若自轉軸背對太陽，南半球則會受到更強的加熱。當前，北半球的陸地覆蓋面積遠大于南半球，且在最近幾次冰期中，最大冰蓋也多分布在北半球。

這項研究提出的方法，還為“通過地球軌道偏心率、轉軸傾角與歲差預測未來冰期”提供了新路線圖。這些變量為冰期與間冰期（例如我們當前所處的時期）的持續時間，構建了可預測的模式：若這種由天文因素驅動的模式持續，地球將在約1.1萬年后進入下一次冰期，并在隨后的5.5萬年內維持高度冰川覆蓋狀態。當然，鑒于人類活動已對地球氣候造成劇烈改變，這一自然模式很可能被打破。

預測冰期遠不像追蹤一顆行星與它的主星之間的關系那么簡單——米蘭科維奇循環還會受到太陽系中其他行星的強烈影響。地球的軌道與自轉特征并非獨自發生振蕩。倘若月球和太陽系中的其他行星突然消失，地球雖仍會繞太陽運行，但其軌道與自轉狀態會和現在大相徑庭。正是月球與其他行星的引力擾動，引發了那些最終導致冰期出現的軌道與自轉振蕩。太陽系中每顆行星都會對其他行星施加引力，這會使它們的軌道形狀和自轉狀態產生微小偏差。由于木星質量巨大（超過地球300倍），它對地球偏心率的演變影響最為顯著；地球的自轉雖也受到其他行星影響，但月球的作用更為突出——月球不僅控制著地球的歲差速率，還強烈限制著轉軸傾角振蕩的幅度。1993年，巴黎天文臺的雅克?拉斯卡（JacquesLaskar）及其同事在一篇著名論文中指出：若沒有我們這顆異常巨大的月球，地球的轉軸傾角將呈現“混亂演變”，甚至可能達到85度——這會讓地球相對于太陽看起來幾乎是“側臥”著的狀態。

• 類地系外行星宜居爭議

許多類地系外行星的米蘭科維奇循環，可能比地球的更為顯著。與已知的系外行星相比，太陽系行星的軌道出人意料地接近圓形；而一些已知的系外氣態巨行星（與木星類似），其軌道則格外橢圓——典型偏心率在20%至40%之間，部分行星的偏心率甚至超過80%、達到90%。這種特征對巖石質、具有潛在宜居性的行星而言，有著重要影響。

如果像我們這樣的行星在宇宙中很常見，那么我們銀河系中存在生命的可能性看起來很大。

舉個例子：如果木星的軌道偏心率從現在的4.4%增加到40%，那么地球的偏心率會每13.5萬年在0到25%之間振蕩（而不是我們現在的最大偏心率6%）；如果把木星的偏心率設定為20%，同時把它的軌道位置移到“水星和地球軌道之間”，那么地球的偏心率會每3000年在0到10%之間波動。

在模擬“類地行星（巖石行星）在氣態巨行星引力影響下形成”的過程中，研究人員構建出了一類行星系統：處于宜居帶內的類地行星，其軌道偏心率與轉軸傾角的波動幅度，能達到地球所受波動的10倍。要是在十年前，這類行星會因被認為“不太可能具備宜居性”而被排除在外；但如今形勢已完全逆轉——在尋找地外生命的過程中，它們成了極具潛力的候選者。

近期在距離地球僅約20光年的區域，發現了一顆名為HD20794d的行星，這顆行星的軌道偏心率較高，會穿過其恒星的宜居帶，但也有相當長一段時間處于宜居帶之外，甚至會遠遠超出宜居帶范圍。當它最接近恒星時，接收的恒星能量比最遠距離恒星時多出約7倍——這一差值，是地球所經歷的最大能量變化的28倍。面對如此劇烈的振蕩，這顆行星還可能宜居嗎？

簡短的答案是：有可能。只要行星在軌道上接收的總能量不變，且擁有合適的質量與大氣層，它們對能量變化就具有顯著的適應力。二十多年來，科學家們一直沿用“最初為研究地球開發的氣候模型”，來研究類地系外行星的氣候。這些模型會考慮兩種關鍵情況：一是行星在偏心軌道上接近恒星時，會受到強烈的熱量脈沖；二是行星遠離恒星時，會進入寒冷時期。例如，2014年韋伯州立大學約翰?阿姆斯特朗領導的一項研究就指出：對于經歷“偏心率或轉軸傾角大幅振蕩”的行星，其宜居帶本身會擴大。具體來說，宜居帶的外緣（超出這一范圍，行星會凍結并進入不可逆轉的雪球狀態）實際上會向外移動，從而擴大行星宜居性的實際范圍。

宇宙中或許存在一些極具研究價值的“周期性波動氣候”案例。2010年，普林斯頓大學的戴維?斯皮格爾（David Spiegel）及其同事構建了一個氣候模型，專門模擬一顆“軌道偏心率呈周期性變化”的行星。在某些情況下，當這顆行星的軌道偏心率較低時，會完全凍結并陷入“雪球地球”（snowball Earth）狀態——這種狀態下，行星表面反射率極高，幾乎無法吸收任何入射的太陽輻射。

事實上，地球在其歷史進程中，或許也曾多次短暫陷入“雪球”狀態，每次持續約100萬年才得以脫離。脫離的契機在于：冰層覆蓋會讓“降雨驅動的水巖侵蝕過程”停滯（這種過程平時會消耗大氣中的溫室氣體），從而導致溫室氣體在大氣中不斷富集，最終推動地球解凍。而在斯皮格爾團隊的研究中，那顆假設行星脫離“雪球”狀態的條件更為特殊：只有當其軌道偏心率增大到特定程度，接收到的太陽輻射足以讓赤道地區解凍時，才能擺脫冰封。

• 類地行星宜居性展望

所有跡象都顯示，即便類地行星的軌道偏心率或轉軸傾角波動幅度極大，其宜居性也不遜于地球，甚至可能具備“超宜居性”。倘若宇宙中“與地球相似的行星”（即“類地行星”）數量眾多——這一點目前仍有較大不確定性，畢竟“與地球相似”的定義本身就極具挑戰性——那么即便僅在我們所處的銀河系內（據信約有1000億顆恒星周圍存在行星環繞），現存地外生命的存在概率也相當可觀。

歐洲空間局（ESA）的蓋亞望遠鏡（Gaia），預計將在2026年底發布一份星表，其中收錄的數千顆巨型系外行星，軌道范圍大致介于木星與土星之間。屆時，人類對類地行星動力學機制的認知將實現巨大飛躍。由于這類巨型行星對類地行星的軌道演化影響極強，這些新數據結合模擬研究，將幫助我們發現那些此前從未探索過的、更遙遠的“可能孕育生命的天體”。

若未來在一些以“狂野軌道”為顯著特征的極端行星系統中，發現若干最具潛力的地外生命候選行星，人們大概率不會再感到絲毫的意外了。

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號：astronomycn

謝謝閱讀

鏈接：https://nautil.us/wild-orbits-prime-planets-for-life-1231853/