摘要：地球历史上至少经历过五次主要冰河时期。在这些漫长的全球性寒冷降温期里，地球大部分区域曾被冰雪覆盖，时间长达1亿年。尽管当前地球正经历人为导致的全球变暖，但一个看似反直觉的事实是：我们其实正处于一场始于约260万年前的第四纪冰河时期中——幸运的是，在这个冰河期背

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原作：Sean Raymond

翻译：刘海牧

校对：王茸 尹天任

审阅：缪征一

美编：周英杰

后台：胡永葳

地球历史上至少经历过五次主要冰河时期。在这些漫长的全球性寒冷降温期里，地球大部分区域曾被冰雪覆盖，时间长达1亿年。尽管当前地球正经历人为导致的全球变暖，但一个看似反直觉的事实是：我们其实正处于一场始于约260万年前的第四纪冰河时期中——幸运的是，在这个冰河期背景下，我们目前正处于“间冰期”：过去约1.1万年来，地球的冰盖和冰川一直在慢慢融化、收缩。

一提到“冰河时期”，人们很容易联想到猛犸象在积雪覆盖的平原上漫步，人类祖先则在冰封的地面上艰难跋涉，靠狩猎猛犸象为生，在极端恶劣的环境里勉强维持生存。但事实上，我们或许该深深感激地球这些宏大而戏剧性的气候变化——科学家们正逐渐发现：一颗行星的气候如果出现剧烈波动，或许恰恰说明它可能具备宜居条件，而驱动这些变化的力量，来自宇宙尺度的天文运动。

地球之所以会长期交替出现寒冷与温暖的气候，很大程度上是因为它在围绕太阳运行时，轨道路径以及相对太阳的倾斜角度会发生细微变化。这一观点如今已被广泛认可，不过，用天文证据来巩固并证实它，却花费了数十年的时间。

早在 17 世纪初，约翰内斯・开普勒就提出 “行星绕太阳的轨迹其实是椭圆形” 的观点；自此之后，西方天文学家便知晓地球的轨道并非完美的圆形。但地球轨道的精确形状——即 “偏心率”（这一指标用于衡量轨道离完美圆形的偏离程度）——始终处于变化之中。地球的轨道偏心率大约每10万年便会完成一次振荡：振荡过程中，它有时接近完美圆形（此时偏心率小于1%），有时则会达到约6%的最大偏心率。

我们可能要大大感谢地球这些宏大而动态的变化｡

与此同时，地球自转轴的倾斜角度,即“转轴倾角”，大约每4.1万年就会在22度到24.5度之间波动。当前地球的转轴倾角是23.5度，这个角度直接决定了季节的强度，以及热带地区的宽度。除此之外，地球自转轴的“指向”也在慢慢变化，大约每2.6万年变化一圈——就像陀螺旋转时“顶端”会慢慢画圈一样——这会让天空中恒星的位置看起来在缓慢移动，这种现象就是“岁差”。

直到20世纪初，塞尔维亚天文学家米卢廷・米兰科维奇（MilutinMilanković）才率先提出“天文变化驱动气候变化”的理论——他认为，地球的冰期与地球轨道偏心率、转轴倾角及岁差的变化密切相关。

数十年后的1976年，哥伦比亚大学地球科学家詹姆斯・D・海斯（JamesD.Hays）领导了一项里程碑式研究。研究团队通过分析海底沉积物，首次证实了冰期具有周期性：数据显示，地球过往的气候记录中，确实存在2.6万年、4.1万年和10万年的时间尺度印记，而这些印记恰好与地球轨道形状及自转变化的周期相匹配。这也成为最早证实“米兰科维奇循环”存在的具体证据之一。

如今，许多天文学家在广泛搜寻可能孕育生命的行星时，正收集到越来越多的证据：一颗行星的轨道与位置振荡得越极端，对生命或许反而越友好。

过去，人们普遍认为：行星若拥有完美的圆形轨道，将为生命的发展与存续提供最佳条件。当然，生命的“孕育配方” 中还包含诸多关键因素——至少对我们目前已知的生命形式来说是如此。其中一个核心因素是行星与恒星的轨道距离：它决定着行星的平均温度，而这也引出了“宜居带” 的概念——在这一区域内，行星的气候条件恰到好处：既不过冷，也不过热，足以支撑液态水的存在。

一颗具备潜在宜居性的行星，还需拥有厚度适中的大气层（既不过厚，也不过薄），恰好能让恒星辐射的热量与能量以适宜的比例抵达行星表面。此外，板块构造也可能发挥作用：它通过移动行星外层的板块，将地核中的重要元素与热量输送至地表。除了这些已知条件，近年来，行星的轨道偏心率与转轴倾角，也逐渐被视为影响宜居性的重要因素。

如今，一幅新的图景正逐渐清晰：若一颗行星的轨道偏心率、转轴倾角与岁差经历了剧烈变化，它或许具备“超宜居性”。这意味着，冰期与暖期反复交替的行星，可能比气候长期稳定的行星更易孕育生命体。这一观点最早由当时任职于麦克马斯特大学的雷内・海勒（RenéHeller）与韦伯州立大学的约翰・阿姆斯特朗（JohnArmstrong），在2014年的一篇开创性论文中提出。若这一观点成立，宇宙中可能孕育生命的行星数量将大幅提升。

近期有一系列研究通过计算机，模拟了“具有特殊轨道与自转状态的岩石系外行星”所处的假设环境。结果显示，与传统认知不同：无论是陆地主导的行星，还是海洋主导的行星，似乎都能从“极椭圆轨道”或“高度倾斜的自转轴”中获益。那些与地球类似、但轨道与地球不同的行星，或许和地球一样适合孕育生命，甚至可能更适合。

要知道，系外行星中“非圆形轨道”其实十分普遍：有半数气态巨行星的偏心率超过25%，这意味着它们的轨道拉伸幅度比木星或土星的轨道还要大，甚至超过五倍。这一发现为行星宜居性研究开辟了全新领域。

2023年《天体物理学杂志》发表了一项研究，专门模拟了一颗行星需满足哪些条件才能具备“超宜居性”。这项研究由普渡大学的乔纳森・杰尼根（JonathanJernigan）及其同事共同开展，研究团队将气候模型与三维生物地球化学模型相结合——其中，三维生物地球化学模型能通过数学方法捕捉“滋养类地行星海洋生命的主要化学反应”，同时还会纳入海洋环流、热量传输及盐度传输等影响因素。

研究人员发现，这些假设行星的海洋生物生产力，会随轨道偏心率或转轴倾角的增大而提升。这是因为这些变化会扩大地表温度差异，进而增强海洋的垂向混合作用。这种垂向混合有时被称为“生物泵”，它能将上层海洋（该区域光合作用活跃）中的有机物质输送至深海，同时将深海的营养物质带回上层海洋。研究显示，当转轴倾角增至90度、或偏心率增至40%时，海洋总生产力最多可提升3至4倍；尽管特定区域的生产力会出现明显季节性波动，但从全球范围来看，这类行星的净生产力远高于零倾斜度和圆形轨道的行星。

全在摇摆中：最近发现的系外行星HD20794d以椭圆轨道绕其恒星运行。这种细长路径使其在一年中的大部分时间里处于乐观或保守的宜居带内。

图片来源：Nari,N.等人，《天文学与天体物理学》（2025年）

这一结果大大拓宽了宇宙中“潜在生命栖息地” 的范围。截至目前，人类已发现超过5000 颗系外行星，其中有29 颗岩石行星处于宜居带内。这些岩石行星大多位于“多行星系统” 中：这类系统里，除了这些岩石行星外，还存在其他大小相近的行星，偶尔也会有冰巨星或气态巨行星——此外，还有大量行星可能因当前探测技术的局限，尚未被探测到。它们的伴星行星会引发岩石行星的轨道偏心率与自转状态出现振荡，且振荡的幅度和时间尺度可能存在极大差异。过去，天文学家普遍认为这类行星必然不具备宜居性，但新模型的结论却告诉我们：实际情况恰恰相反。

不过，“极端条件”需要达到什么程度才合适呢？今年早些时候发表的一项研究给出了不同视角：哥伦比亚大学与戈达德太空研究所的保罗・勒纳（PaulLerner）领导团队，采用不同的代码与技术开展了一组类似模拟。他们发现，当转轴倾角高达45度时，海洋生物生产力会适度提升（增幅最高达15%）；可一旦转轴倾角超过这一数值，生产力便会随之下降。

这种振荡似乎也能为陆地创造适宜生命生存的条件。2024年，利兹大学的BinghanLiu领导的一项研究发现，类地行星若处于椭圆轨道，其表面宜居性会有所提升。该团队专门模拟了两种轨道场景的气候：一种是圆形轨道，另一种是偏心率为40%的轨道（两种场景下，行星的倾斜度均为零）。

模型结果显示，拥有椭圆轨道的行星，其“温度适合生命生存的陆地面积”（即温度介于0至50摄氏度之间），比完全圆形轨道的行星多出了相当大一部分——超过25%。此外，模拟中的“椭圆轨道类地行星”总体更温暖（温度高出几度）。这种更温暖的陆地空间的增加，源于椭圆轨道类地行星的大气循环模式：它能更有效地将赤道地区的暖空气抬升，并输送到更高纬度区域。

最近发表于《科学》杂志的一项研究，成功厘清了地球轨道偏心率、转轴倾角与岁差变化各自的影响。英国卡迪夫大学的斯蒂芬・巴克（StephenBarker）领导团队，进一步揭示了冰期的持续时间、严重程度与这三个因素的关联。简而言之，这些动态变化直接决定了地球接收太阳能量的总量：当地球轨道为非圆形时，地球在近日点会接收到更多太阳能，极端情况下，近日点接收的太阳能可比远日点多25%。而这些能量在地球上的分布，则取决于转轴倾角与岁差。通常转轴倾角越高，北半球高纬度地区接收的能量越多，但这一情况仅在地球自转轴指向太阳时出现；若自转轴背对太阳，南半球则会受到更强的加热。当前，北半球的陆地覆盖面积远大于南半球，且在最近几次冰期中，最大冰盖也多分布在北半球。

这项研究提出的方法，还为“通过地球轨道偏心率、转轴倾角与岁差预测未来冰期”提供了新路线图。这些变量为冰期与间冰期（例如我们当前所处的时期）的持续时间，构建了可预测的模式：若这种由天文因素驱动的模式持续，地球将在约1.1万年后进入下一次冰期，并在随后的5.5万年内维持高度冰川覆盖状态。当然，鉴于人类活动已对地球气候造成剧烈改变，这一自然模式很可能被打破。

预测冰期远不像追踪一颗行星与它的主星之间的关系那么简单——米兰科维奇循环还会受到太阳系中其他行星的强烈影响。地球的轨道与自转特征并非独自发生振荡。倘若月球和太阳系中的其他行星突然消失，地球虽仍会绕太阳运行，但其轨道与自转状态会和现在大相径庭。正是月球与其他行星的引力扰动，引发了那些最终导致冰期出现的轨道与自转振荡。太阳系中每颗行星都会对其他行星施加引力，这会使它们的轨道形状和自转状态产生微小偏差。由于木星质量巨大（超过地球300倍），它对地球偏心率的演变影响最为显著；地球的自转虽也受到其他行星影响，但月球的作用更为突出——月球不仅控制着地球的岁差速率，还强烈限制着转轴倾角振荡的幅度。1993年，巴黎天文台的雅克・拉斯卡（JacquesLaskar）及其同事在一篇著名论文中指出：若没有我们这颗异常巨大的月球，地球的转轴倾角将呈现“混乱演变”，甚至可能达到85度——这会让地球相对于太阳看起来几乎是“侧卧”着的状态。

许多类地系外行星的米兰科维奇循环，可能比地球的更为显著。与已知的系外行星相比，太阳系行星的轨道出人意料地接近圆形；而一些已知的系外气态巨行星（与木星类似），其轨道则格外椭圆——典型偏心率在20%至40%之间，部分行星的偏心率甚至超过80%、达到90%。这种特征对岩石质、具有潜在宜居性的行星而言，有着重要影响。

如果像我们这样的行星在宇宙中很常见，那么我们银河系中存在生命的可能性看起来很大。

举个例子：如果木星的轨道偏心率从现在的4.4%增加到40%，那么地球的偏心率会每13.5万年在0到25%之间振荡（而不是我们现在的最大偏心率6%）；如果把木星的偏心率设定为20%，同时把它的轨道位置移到“水星和地球轨道之间”，那么地球的偏心率会每3000年在0到10%之间波动。

在模拟“类地行星（岩石行星）在气态巨行星引力影响下形成”的过程中，研究人员构建出了一类行星系统：处于宜居带内的类地行星，其轨道偏心率与转轴倾角的波动幅度，能达到地球所受波动的10倍。要是在十年前，这类行星会因被认为“不太可能具备宜居性”而被排除在外；但如今形势已完全逆转——在寻找地外生命的过程中，它们成了极具潜力的候选者。

近期在距离地球仅约20光年的区域，发现了一颗名为HD20794d的行星，这颗行星的轨道偏心率较高，会穿过其恒星的宜居带，但也有相当长一段时间处于宜居带之外，甚至会远远超出宜居带范围。当它最接近恒星时，接收的恒星能量比最远距离恒星时多出约7倍——这一差值，是地球所经历的最大能量变化的28倍。面对如此剧烈的振荡，这颗行星还可能宜居吗？

简短的答案是：有可能。只要行星在轨道上接收的总能量不变，且拥有合适的质量与大气层，它们对能量变化就具有显著的适应力。二十多年来，科学家们一直沿用“最初为研究地球开发的气候模型”，来研究类地系外行星的气候。这些模型会考虑两种关键情况：一是行星在偏心轨道上接近恒星时，会受到强烈的热量脉冲；二是行星远离恒星时，会进入寒冷时期。例如，2014年韦伯州立大学约翰・阿姆斯特朗领导的一项研究就指出：对于经历“偏心率或转轴倾角大幅振荡”的行星，其宜居带本身会扩大。具体来说，宜居带的外缘（超出这一范围，行星会冻结并进入不可逆转的雪球状态）实际上会向外移动，从而扩大行星宜居性的实际范围。

宇宙中或许存在一些极具研究价值的“周期性波动气候”案例。2010年，普林斯顿大学的戴维・斯皮格尔（David Spiegel）及其同事构建了一个气候模型，专门模拟一颗“轨道偏心率呈周期性变化”的行星。在某些情况下，当这颗行星的轨道偏心率较低时，会完全冻结并陷入“雪球地球”（snowball Earth）状态——这种状态下，行星表面反射率极高，几乎无法吸收任何入射的太阳辐射。

事实上，地球在其历史进程中，或许也曾多次短暂陷入“雪球”状态，每次持续约100万年才得以脱离。脱离的契机在于：冰层覆盖会让“降雨驱动的水岩侵蚀过程”停滞（这种过程平时会消耗大气中的温室气体），从而导致温室气体在大气中不断富集，最终推动地球解冻。而在斯皮格尔团队的研究中，那颗假设行星脱离“雪球”状态的条件更为特殊：只有当其轨道偏心率增大到特定程度，接收到的太阳辐射足以让赤道地区解冻时，才能摆脱冰封。

所有迹象都显示，即便类地行星的轨道偏心率或转轴倾角波动幅度极大，其宜居性也不逊于地球，甚至可能具备“超宜居性”。倘若宇宙中“与地球相似的行星”（即“类地行星”）数量众多——这一点目前仍有较大不确定性，毕竟“与地球相似”的定义本身就极具挑战性——那么即便仅在我们所处的银河系内（据信约有1000亿颗恒星周围存在行星环绕），现存地外生命的存在概率也相当可观。

欧洲空间局（ESA）的盖亚望远镜（Gaia），预计将在2026年底发布一份星表，其中收录的数千颗巨型系外行星，轨道范围大致介于木星与土星之间。届时，人类对类地行星动力学机制的认知将实现巨大飞跃。由于这类巨型行星对类地行星的轨道演化影响极强，这些新数据结合模拟研究，将帮助我们发现那些此前从未探索过的、更遥远的“可能孕育生命的天体”。

若未来在一些以“狂野轨道”为显著特征的极端行星系统中，发现若干最具潜力的地外生命候选行星，人们大概率不会再感到丝毫的意外了。

『天文湿刻』 牧夫出品

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来源：牧夫天文一点号