在地球上，很少有人熟悉行星倾斜度的概念，但我们都感受到了它的影响：倾斜度衡量的是行星轨道相对于其恒星的倾斜度，正是这种倾斜度创造了地球四季的变化。现在，天文学家们提出，倾斜度的变化可能会产生更大的影响。
根据发表在《自然·天文学》上的新研究，当行星的自转和轨道恰好对齐时，它们可以使世界倾斜到足以迫使其更远或更靠近恒星的位置。这些发现可能有助于解释美国国家航空航天局的开普勒太空望远镜发现的数千个世界中潜藏的近十年的谜团。
尽管季节对我们的生活至关重要，但在考虑塑造整个行星（从地核到地壳再到云层顶部）的力量时，季节通常被视为几乎只是舍入误差。再加上目前很难测量系外行星的倾斜度，这导致大多数天文学家在模拟行星系统的演化时大多忽略了倾斜度。然而，在他们的研究中，耶鲁大学的合著者莎拉·米尔霍兰和格雷格·劳夫林揭示了倾斜度驱动的潮汐可能产生巨大的影响。“大的倾斜度会产生更强的潮汐，而潮汐会使行星移动，”米尔霍兰说。
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行星配对
在开普勒之前，天文学家只知道少数几个系外行星系统，其中大多数只包含一个已知的世界。基于对我们太阳系的研究，他们预计许多行星会以共振方式配对，这种效应是指世界之间的引力相互作用确保它们的轨道周期以小整数的比率出现。例如，与内行星共振的外行星可能每绕恒星一周，其更近的伴星就会绕两圈，形成所谓的 2:1 共振。结果是两个世界形成非常稳定的配置，每次它们都在轨道上的同一位置彼此经过。人们认为，这种共振发生在行星生命的早期，当世界在新生的恒星周围形成的气体和尘埃盘中相互碰撞时产生。
我们太阳系的行星不属于这些模式，但它们的许多卫星却属于。气态巨行星的几颗卫星以这种共振方式结合在一起。“这种情况发生的频率远高于纯粹的偶然性，”马里兰大学帕克分校的道格拉斯·汉密尔顿说，他没有参与这项新研究。
事实证明，开普勒特别擅长探测多行星系统，在这些系统中，世界紧密地挤在一起，以共振配置排列。但是，当开普勒的第一批世界于 2010 年发布时，天文学家很快意识到有些不对劲。配对行星被证明很常见，但大多数行星都略微不同步——刚好超出共振的范围，彼此经过的速度比预期的稍慢或稍快。似乎某种未知的力量将配对行星推开了。“那是一个令人兴奋的结果，”杨百翰大学研究系外行星的天文学家达林·拉戈津说，他帮助揭开了 2011 年的谜团。
几乎立刻，天文学家就扑向了这个谜题。据未参与这项新研究的拉戈津说，科学家们怀疑行星在早期配对成共振，然后受到某种干扰。嫌疑对象包括小行星推挤行星、圆盘气体消散时产生的压力以及恒星引力产生的潮汐，但这些似乎都无法奏效——至少直到米尔霍兰和劳夫林将目光转向倾斜度。
摇摆的盘子，旋转的陀螺
标准形成理论认为，当行星诞生时，它们的赤道指向恒星，而它们的两极笔直指向包围它们的圆盘外部。在其生命周期中与其他物体的相互作用可能会改变它们的倾斜度，使其稍微或非常倾斜。地球目前的倾斜度为 23.5 度，据信是受到其卫星月球的影响。相比之下，天王星的倾斜度为 97.9 度，其两极与太阳在同一平面上——据推测，这是很久以前的某种惊天动地的撞击造成的。
无论其根本原因是什么，行星的倾斜度都会随着其旋转而表现出进一步的变化，很像旋转陀螺的摆动。在大约 40,000 年的时间里，地球的倾斜度在 22.1 度到 24.5 度之间波动。与此同时，北极本身也不会停留在同一个位置；它也会像在盘子上移动的陀螺底部一样稍微摆动，周期约为 26,000 年，称为自旋岁差。所有这些都发生在行星在椭圆轨道上绕太阳运行时。但这还不是全部！椭圆轨道本身也在稍微移动，保持相同的距离，但围绕恒星非常缓慢地旋转。
只要每次变化跨越的时间量不同，它们就会保持分离，互不影响。但是米尔霍兰和劳夫林发现，如果轨道椭圆移动所需的时间等于自旋岁差的单个环星周期的时间，两者就会产生强大的协同作用。“当这两者变得相等时，它们就会锁定在一起，”劳夫林说。“你改变一个，另一个也会和谐地变化。”
劳夫林最喜欢的演示这种难以理解的关系的方式是一个简单的木制陀螺，放在餐盘上旋转，其中陀螺充当行星，餐盘充当其轨道。通过以完全正确的速度来回晃动餐盘，可以使陀螺在原本应该停止旋转之后继续旋转很长时间。当餐盘的晃动和陀螺的旋转以相同的速度发生时，它们就会联系起来，因此餐盘运动的变化会影响陀螺。“这是一个有形的类比，非常接近行星在自转和轨道方面所经历的情况，”米尔霍兰说。
对于行星来说，倾斜度驱动的轨道变化发生在它们生命的早期。在大约 1000 万年的时间里，它们形成盘中的气体消失了，被不断生长的巨行星吞噬或被恒星风吹走。由于几乎没有剩余的气体可以抵抗，行星停止漂移并稳定在稳定的轨道上；这种稳定作用减缓了行星的自旋岁差，延长了岁差完成一次旋转所需的时间。最后，这种减速缓慢地迫使行星越来越向侧面倾斜。
这种变化并非没有代价。“如果你倾斜行星，实际上会增强潮汐的强度，”汉密尔顿说。然后，这些潮汐以非常缓慢的速度将行星推出轨道，最终导致一群世界略微偏离与其邻近行星的精确轨道和谐——这与开普勒数据中首次发现的令人困惑的脱节相同。“这是一个非常有趣和巧妙的解决方案，可能最终成为主要因素，”拉戈津说。（至少对于系外行星来说是主要的——米尔霍兰和劳夫林的提议不适用于我们本土的轨道共振例子，即太阳系丰富的卫星系统，因为这些卫星仍然被其行星的潮汐效应锁定在位置上。）
米尔霍兰和劳夫林的努力可能是解决开普勒谜团的必要的第一步，但不太可能是最后一步。“倾斜度是人们忽略的一件事，因为他们对观察到它感到绝望，”芝加哥大学的天文学家丹尼尔·法布里基说，他没有参与这项工作。他确信这项新研究将促使更多天文学家重新审视倾斜行星的影响，这反过来可能会揭示尚未考虑到的进一步复杂性。
倾斜的世界
改变行星向太阳倾斜的方式会对行星产生几个重要的影响。恒星的潮汐力足以在附近的行星周围产生隆起——而开普勒行星都足够靠近以体验到这种效应。行星内部物质的运动会产生热量，使世界内部变暖，并可能为火山爆发和其他地质现象提供动力。木星的卫星木卫一就是这种情况。尽管木卫一没有很高的倾斜度，但由于木星的引力，其椭圆轨道按摩着卫星的内部。结果是一颗微小的卫星，它是太阳系中火山活动最活跃的天体。这并不意味着大多数倾倒的行星看起来都像木卫一，但“这种情况很容易发生，”劳夫林说。
倾斜也会影响系外行星的天气模式。该研究考虑的开普勒的大多数发现之前被认为是“潮汐锁定”的，其中一个半球永久地面向行星的宿主恒星，形成永久的昼夜两侧。倾斜行星会将其从这种负担中解放出来，但可能会深刻地改变盛行风，并且在某些情况下会产生极其漫长的昼夜，每个昼夜持续行星半年的时间。美国国家航空航天局即将发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜应该能够让天文学家研究昼夜之间的这种差异，并可能梳理出这些世界的倾斜度。“我们可以看到行星在整个轨道上的热辐射以及昼夜两侧之间的差异，”米尔霍兰说。“这可能是倾斜度的迹象。”
尽管拉戈津和汉密尔顿对结果持乐观态度，但法布里基并不完全确定新发现将解释开普勒揭示的所有奇怪堆积的行星。“我并不完全相信它会解释一切，但他们已经证明这是一种重要的机制，”他说。劳夫林指出，这并非旨在解释每个轨道刚好偏离中心的行星。毕竟，有些行星最终会因随机机会而进入这样的轨道。相反，他说，该理论旨在解释开普勒揭示的过量行星。就其本身而言，它不允许研究人员指出单个行星并说出其轨道是来自随机机会还是其倾斜度将其推开。再次想想天王星及其偏离轨道的自转——可能是由于一次偶然的行星撞击造成的，而不是天体力学微妙的必然性。
米尔霍兰和劳夫林仍然保持乐观。“我们认为这解释了过去几年一直困扰行星科学家的谜团，”劳夫林说。