LHS 3844b 是一顆比地球稍大的系外行星，繞著紅矮星 LHS 3884 運行，距離太陽系 48.5 光年。與地球不同的是，它被潮汐鎖定，這意味著它繞軸自轉一圈的時間與繞恆星公轉一圈的時間完全相同。因此，一個半球經歷著持續炙熱的白天，而另一個半球則處於接近絕對零度（零凱氏）的永久黑暗中。
乍看之下，這種極端的環境似乎完全不適合居住。白天的溫度可達攝氏 727 至 1727 度（約 1000 至 2000 凱氏），而夜晚的一側極度寒冷，粒子運動幾乎停止。
然而，新的研究表明，這些行星可能不像看起來那樣對生命充滿敵意。
「僅僅看到白天和夜晚兩側的極端溫度——白天高達 1000-2000 凱氏，夜晚接近絕對零度——可能會讓人認為這些系外行星對生命來說過於嚴酷。但是，」賓州大學 Hugo Ulloa 實驗室的博士後研究員 Daisuke Noto 說，「生命或許能找到出路。」
在一項發表於《自然通訊》（Nature Communications）的研究中，Noto 與來自日本海洋地球科學技術機構（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology）和北海道大學的合作者發現，「這類系外行星可能更能容忍生命存在，因為『潮汐鎖定』可以透過橫向分配熱通量來幫助維持局部的溫和熱環境。」
為何潮汐鎖定的系外行星如此普遍
這項發現挑戰了關於總是呈現同一面朝向其恆星的行星的普遍假設。根據 Noto 的說法，擁有永久白天和黑夜的行星實際上比像地球這樣經歷規律日夜循環的行星要普遍得多。
「許多非常靠近母恆星的天體，例如衛星和行星，我們稱之為潮汐鎖定，」他解釋說。「這意味著，當它們繞軸自轉並繞著母體公轉時，這些速率/頻率是匹配的，導致了我們只能看到月球的一面這種現象。」
這種持續的定向在行星上造成了劇烈的溫度對比。研究人員沒有僅僅關注地表條件，而是想了解行星內部，特別是地函（地殼和核心之間的厚岩層）中會發生什麼。
在實驗室中重現系外行星
該團隊沒有僅僅依賴電腦模擬，而是建立了一個實體實驗室模型來模擬潮汐鎖定行星的內部。
「在實驗室裡建造一顆真正的系外行星不在預算範圍內，」Noto 開玩笑說。
取而代之的是，研究人員使用了一個桌面大小的長方形水箱，裡面裝滿了黏稠的甘油和微小的熱致變色液晶，這些液晶會隨著溫度的變化而改變顏色。類似的實驗系統長期以來一直用於研究熱量如何在緩慢移動的材料中傳輸，使其成為行星岩石內部有用的替代品。
與受地球自轉和重力強烈影響的天氣或洋流不同，岩石地函內的對流主要由溫度和密度的差異驅動。為了重現這些條件，團隊在水箱周圍安裝了四個恆溫器，以加熱和冷卻不同區域，產生類似於永久受光面、永久黑暗面、地表和潮汐鎖定系外行星深處之間預期的溫度梯度。
實驗揭示了一種非常穩定的模式。熱物質持續在地表白天一側下方上升，流經上部區域，到達夜晚一側時冷卻，然後下沉，再通過下地函返回。結果是一個連續的循環迴路，就像穩定的行星心跳一樣運作。
「它不像地球的地函那樣混亂，」Noto 說。「它是緩慢而穩定的。可預測的。有點無聊——但從好的方面來說。」
研究人員還觀察到偶爾有蘑菇狀的羽流從水箱加熱的底部升起。與地球上的火山熱點（例如夏威夷或冰島下方的熱點）不同，這些羽流固定在一個位置，而不是隨時間漂移。
熱傳輸的測量結果，稱為努塞爾數（Nusselt numbers），與地球地函的測量結果相當。這一發現表明，一些潮汐鎖定的系外行星可以維持局部的地熱環境，為生命提供有利的條件，尤其是在較溫和的中緯度地區。
穩定的循環模式可能不僅影響地表溫度。Noto 認為，它也可能影響行星液態核心的運動，可能產生與地球熟悉的偶極場不同的磁場。
「這是我們在這個實驗中無法測試的，」他說，「但這是未來工作的令人興奮的方向。」
Noto 和 Ulloa 正在繼續開發類似的實驗模型，以研究各種地球物理過程。賓州大學 GEFLOW 實驗室早期的研究探索了熱量和質量如何在受限空間中移動，為流體在熱液系統中的作用提供了新的見解。
「我們計劃進一步擴展實驗方法，以更深入地研究我們星球在不同背景下的不同系統，可能性，確切地說，是超乎想像的，」Noto 說。
