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沒有月球的地球,生命是否仍能發展與生存?

2011/08/26 | | 標籤:

科學家長久以來一直相信:如果沒有月球,那麼地球的自轉軸傾角(obliquity,黃赤交角)將會劇烈變動,變動範圍將在0度到85度之間;0度時太陽將一直維持在赤道上空,85度時則幾乎直射兩極。行星的穩定度又深深影響生命發展,因為傾角變動劇烈將引起氣候巨變,對複雜生命型態的演化非常不利。

不過,目前美國愛達荷大學(University of Idaho)物理系Jason Barnes等人最新研究報告指出:即使沒有月亮,太陽系內的其他行星也會維持地球的穩定,地球的自轉軸傾角的變動僅約10度左右,沒有之前認為的那麼大;而在此狀況下,地球生命演化雖然會受到一定程度的影響,但不致於到完全無法繼續發展下去、生命完全滅絕的程度。此外,其他系外行星也不必一定要有像月亮這樣的大衛星,才能是適合生命居住的世界。


當行星自轉

The image shows Earths axial tilt (or obliquity), rotation axis, plane of orbit, celestial equator and ecliptic. Earth is shown as viewed from the Sun; the orbit direction is counter-clockwise (to the left). Image credit: Wikicommons/Dna webmaster 行星受到母星的重力拉扯,其自轉軸的朝向在空間中也會隨時間慢慢的移動,這稱為「進動(precess)」。同樣地,行星的公轉軌道面也有進動。如果自轉與公轉的進動同時發生,兩者綜合的結果將使行星毫無章法地搖擺。但月球重力似乎提供了穩定地球的效果:如果地球自轉軸進動速度加快,但地球公轉軌道進動 則無,那麼行星的擺動幅度將縮小,整個系統變得比較穩定。

以類地行星的衛星來比較,月球質量相當於地球質量的百分之一左右,相較之下,火星兩顆衛星中比較大的火星一(Phobos)質量僅約火星的6000萬分之一,可見月球在衛星中是質量比較大的;此外,火星兩顆衛星可能來自被火星重力捕捉的小行星,月球則形成於約40-50億年前一顆火星大小的天體撞擊地球後形成的,這場撞擊同時影響了地球的自轉軸傾角。因此,月球和其他類地行星衛星的差異相當大。

科學家目前估計約僅1%的類地行星有個顯著的衛星。這意味著:如果真如先前理論所言,月亮有穩定自轉軸的效果,那麼宇宙中絕大部分的行星,其自轉軸傾角都會劇烈改變。


行星的重力拉扯

雖然月球的確讓地球自轉變得比較穩定,但Barnes等人的最新研究資料顯示太陽系中其他行星的重力,尤其是木星,仍然可以讓地球遠離瘋狂搖擺的狀況。

Barnes等人表示:由於木星是太陽系中質量最大的行星,所以整個太陽系的平均公轉面其實嚴重受限於木星的重力。沒了月亮,地球自轉軸傾角在50億年之內的改變幅度僅約10~20度而已,沒有之前預期的0~85度那麼大。

這個10~20度的數值聽起來好像不大,但目前地球自轉軸的改變量僅約1~2度,就已經可能是造成冰河時期的部分原因。根據Barnes的說法:這個小小的移動造成的效果有限,但如果和地球現在的氣候狀況結合之下,就可能引起巨變。然而儘管10度的變化的確會造成一些影響,但對大規模的智慧生命發展而言,並不是個大問題。

此外,如果木星比現在還靠近地球,那麼地球公轉軌道的進動速度會變快,月亮其實反倒會讓地球自轉軸傾角的擺動變得更狂亂,沒有原本預期的穩定效果。所以,衛星對行星而言,到底是使其穩定,還是反使之狂亂,要視行星系統的其他部分而定,不全然是衛星的效果。


逆轉的好處

Moons in our solar system, with Earth for scale. Image credit: NASA Barnes等人的研究還顯示:如果行星是逆轉的,即自轉方向與其母星自轉方向相反者,其自轉軸的變動會比正轉的行星還穩定,即使沒有大型衛星在旁也一樣。因此Barnes等人認為:或許每個行星系統一開始時,行星的自轉方向是隨機的;若此為真,那麼這個行星系統裡大約有一半的行星不會經歷自轉軸傾角劇烈變動的問題。那麼,到底是什麼因素決定了行星自轉的方向?Barnes表示:最後一個影響自轉速率的因素就是了。

既然一個行星系統內,正轉和逆轉的行星約各佔一半,逆轉的行星又無須大型衛星就可以比較穩定,正轉的行星靠著行星系統裡的其他行星重力也可以大致維持穩定狀態,這意味著宇宙中適合居住的類地行星數量可能比原本想像的還多。Barnes等人甚至估計位在適居區內的行星中,至少有75%的岩質行星穩定地足以讓生命演化。不過,這點得要後續更多的研究才能確定正確與否。

相較之下,若按先前的想法:得有個大型衛星以保持適當的傾斜角,那麼僅有約1%的類地行星可維持穩定氣候,讓生命得以發展並演化。這樣的數值,遠少於Barnes等人提出的新想法。

所以,如果Barnes等人的想法獲得證實,那麼,大型衛星的確可讓行星自轉軸更穩定,但卻不是生命演化不可或缺的要素。

資料來源:The Odds for Life on a Moonless Earth  [08/04/11]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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