內行星之謎

向曉暉

在靠近年輕太陽很近的地方，四個世界（水星、金星、地球、火星）誕生了，其中每一個都具備承載生命的條件。雖然太陽系中有大量地方存在可居住條件，但這四個故事卻具有驚人的開端。

46億年前，太陽誕生僅幾百萬年后，太陽周圍并沒有可見的世界崛起，而只有太陽形成后留下的、由塵埃和氣體組成的巨大云團。在接下來的數千萬甚至上億年中，引力將這些殘骸吸引在一起，形成首批行星胚胎。這些胚胎變成最靠近太陽的四個行星世界，這些行星的故事被太陽的命運主導，其中每一個的可居住性都增加或減少。今天，被燒焦的水星以極近的距離環繞無情的太陽。在稍遠一點的地方，稠密的大氣層將高溫的金星裹住。在更遠的地方，冰凍的火星是一個荒涼世界。在這四個世界當中，只有一個擁有卓越的開端。

這個世界就是地球。地球是一個非常特殊之地，擁有正好適合生命的條件。我們所知的生命依賴液態水，而只有地球有能力在漫長的歲月中保留液態水。這就是地球的卓越之處。地球是太陽系中唯一擁有生命的行星。不過，雖然在今天的太陽系中地球看起來很獨特，但我們不能只注意一個很小的時段和一個很小的空間。太陽系中有大量地方曾經、現在或將來可以居住。然而，今天的太陽只鐘情一個可居住的世界——地球。那么，為什么只是地球而不是其他行星？讓我們離開藍色地球去探索我們的姊妹行星，我們會發現很驚人的一點：我們的巖石鄰居并不總是如此充滿敵意，它們曾經也具有接近地球的生命條件。那么，究竟發生了什么事？

水星可能原本不在這里

最驚人的是水星。距離太陽5800萬千米、直徑4880千米的水星充滿奧秘。在太陽系的4顆巖石行星即水星、金星、地球和火星當中，直到最近水星都被探索得最少，理由很簡單——水星距離太陽太近，要想進入環繞水星的軌道難上加難。2004年，美國宇航局“信使號”飛行器踏上飛往水星之旅。直線飛往水星是不可能的，直線飛的話飛行器就必須達到很高的速度，這樣一來飛行器就需要很多燃料才能讓自己在進入軌道時減速，而搭載如此大量的燃料是不現實的。于是，“信使號”從一顆行星飛到另一顆，運用行星引力為自己減速，旋轉著向目標靠近。為此，“信使號”一次飛近地球，兩次飛近金星。但即便如此，“信使號”接近水星時的速度依然太快，最終它不得不三次飛近水星，飛近速度一次比一次低。

2011年3月18日，在經過近7年的精準飛行后，“信使號”終于安全進入環繞水星的軌道，開始繪制水星表面地圖。“信使號”在軌道中拍攝的第一幅水星照片，非常符合科學家對水星表面情況的預計。但這一次先驅旅行導致科學家對水星形成理論徹底改寫。水星是太陽系中隕擊坑最多的行星，水星表面許多令人不解的特征揭示了水星的狂暴歷史，例如它的奇異軌道和慢得離奇的自轉——水星繞太陽兩圈，才相當于水星上的一天。換句話說，水星的一天等于兩年。

更奇怪的是水星核很大。水星基本上是一個外層有很少量巖石的金屬球。在太陽系四顆巖石行星中，為什么只有水星如此？“信使號”入軌后發回地球的水星化學數據，讓科學家大吃—驚—一“信使號”探查到了大量揮發性化學元素，例如硫和鉀。而在這么靠近太陽的地方，是不應該有這么多揮發性元素的。這些元素會進入巖石，但在高溫下會揮發。大量有關水星形成的理論沒有預測到水星上會存在大量揮發性元素，科學家立即意識到這些理論是錯誤的?！靶攀固枴睂λ堑奶剿鳎赡鼙砻髁颂栂倒适轮幸粋€新的轉折點。

45億年前，剛形成不久的年輕水星仍然處于狂暴形成過程中的高溫下。漸漸地，富含揮發性元素的水星殼形成了。如果水星當時很靠近太陽，這些元素就很可能在巖石變硬之前揮發掉。那么，今天的水星為何會大量存在揮發性元素？事實上，經過太陽系的漫長歷史，行星軌道和位置才變成現在這樣。也就是說，當初行星軌道和位置和現在的不一定相同。有一種可能性是，水星并非形成于它目前所在之地，而是形成于靠近其他行星的地方，甚至有可能形成于金星軌道和地球軌道外。但如果真是這樣，水星又怎么會淪為今天所見的被太陽烤焦的奇異小東西？

科學家對此還不十分清楚，但已經有一些理論。“信使號”對于水星表面揮發物和水星巨大內核的探測結果，為一種有趣的新理論提供了依據：水星有可能形成于比今天它距離太陽遠很多的地方。當時這個地方有幾十個行星胚胎在競爭行星席位，年輕的地球也正在這里形成。在一片混沌中，有可能某個大天體把水星推出原來的軌道，推向太陽附近。在此過程中，水星與另一個行星胚胎發生碰撞，大部分水星殼和水星幔被撞掉。被撞掉的材料形成早期金星的一部分。只剩下金屬核的水星繼續朝著太陽而去，最終進入今天它所處的奇異長橢圓軌道，從而躲過被太陽完全湮滅的厄運。

由于對水星真實情況的驚人揭示，“信使號”正幫助科學家全面改寫水星形成理論。在“信使號”探測水星之前，科學家根本沒有意識到水星歷史會這么復雜而又有趣。令人遺憾的是，在探索水星4年后，“信使號”用于修正自己軌道的燃料耗盡。“信使號”最終墜毀于水星，為這個因為距離太陽太近而其上所有生命希望都己被抹去的小小世界增添了一個小小隕擊坑。然而，距離不見得能幫助一顆行星避開太陽的威力。

極高溫金星曾經有海洋

在水星軌道外4800萬千米、距離太陽1.08億千米的地方，直徑1.21萬千米的金星看起來與地球更像。但金星被云層徹底籠罩。金星距離地球近，所以古人很早就知道金星的存在。但因為看不穿金星云層，所以金星對古人來說非常神秘。早期科學家已經料到金星有大氣層，還想到了金星在地球天空中如此明亮是因為云層完全覆蓋金星。過去的科幻作家著迷于一種想法—金星表面有悶熱、潮濕的熱帶叢林。如此看來，金星會不會是隱身云層下的另一個地球？科學家曾經對金星的可居住性非常看好，甚至第一批金星登陸探測器被設計來適應掉在水面上。

20世紀六七十年代，蘇聯向金星發射了一系列登陸探測器。其中，1961年發射的“金星1號”還未登陸就與地球失去聯系。經歷多次失敗后，1967年“金星4號”再次嘗試登陸金星，但在金星大氣層中進行測量時失靈。盡管如此，每一次嘗試都讓科學家更多一點意識到金星的狀況根本就不像地球的那么溫和，而是非常極端。1975年，“金星9號”終于成功登陸金星，在實施探測不到1小時后停擺。1982年3月1日，“金星13號”開始非常艱險地向著金星表面下降。這艘飛船能忍受在幾秒內就能把汽車壓扁的高壓和能熔化鉛的高溫。這一天，蘇聯人拍攝了金星表面的第一張彩照?！敖鹦?3號”采集數據共127分鐘。

探測表明，金星遠遠不是一個海洋世界，而是一個徹頭徹尾的地獄，金星表面完全不可能存在生命。金星表面溫度高達457°C，金星大氣壓是地球的8g倍，金星大氣層中二氧化碳含量高達95.5%。但通過分析金星大氣層，科學家發現曾經的金星環境遠遠不像今天的這么糟糕。今天金星大氣層中水含量很低，金星表面根本不可能有水，卻有證據表明金星曾經濕潤過。通過對金星大氣層中氫同位素組成的測量，科學家確信44億年前的年輕金星存在大量水，甚至很可能存在海洋。也就是說，當時金星與地球很相似——兩者與太陽的距離都很合適，因此兩者表面都有液態水，有江河湖海。這樣看來，年輕時的金星是完全可能支持生命的。根據地球當時的情況，科學家推測金星當時有可能也出現過生命。但金星后來遭遇了什么變故，以至于最終變成一座煉獄？

太陽系行星的可居住性與太陽的歷史緊密相關。在這中間，行星與太陽的距離是一回事，太陽的年齡是另一回事。科學家已經很清楚，像太陽這樣的恒星會隨著衰老而變亮。隨著年輕的太陽升溫，太陽的輻射平衡也開始改變。金星或許曾有過全球性海洋，但隨著太陽溫度越來越高，金星表面也會升溫。在20億年里，隨著太陽核心的核反應引起太陽升溫，太陽越來越明亮。太陽能量輸出的增加導致金星表面溫度越來越高，越來越多的表面水蒸發變成空氣中的水蒸氣。水蒸氣是一種溫室氣體。金星表面溫度越高，越多表面水轉化成水蒸氣?？諝庵兴魵庠蕉?，升自金星表面的熱輻射被阻擋回來的也越多。金星云層一天比一天稠密，雨水還未等到落地就己蒸發，最終云層覆蓋了整個金星。

1990年，美國宇航局“麥哲倫號”探測器開始在環繞金星的軌道中探索金星。“麥哲倫號”配備了穿云雷達，能看穿金星的稠密大氣層?！胞溦軅愄枴卑l現，金星表面布滿巨大的火山熔巖平原，火山甚至高達8千米。金星表面的一些盾形火山，在太陽系中數一數二。事實上，金星是太陽系中名副其實的火山之都，金星表面分布的死火山數量在太陽系行星中最多?？茖W家相信，在金星大氣層被太陽加熱的時期，這些都是活火山。當時火山氣體大量進入金星大氣層。在地球上，二氧化碳、水蒸氣和甲烷等火山氣體都是作用很強的溫室氣體?？茖W家推測，金星火山氣體也不例外。最終，金星到達臨界點，失控的溫室效應占據上風，導致金星海洋蒸發一空，生命希望隨之湮滅。現在金星表面溫度甚至比水星還高，是太陽系所有行星中最高的。而隨著太陽亮度增加，它的威力被所有類地行星都感受到，火星自然不例外。

火星江河湖海為啥消失

火星距離太陽2.29億千米，火星直徑為6779千米。比金星距離太陽遠得多的火星，也受太陽支配。由于火星大氣層中一度富含溫室氣體，所以江河湖海曾經在火星表面自由流動了好幾億年。但火星比金星小得多，火星引力也小得多，所以火星更難留住原有的大氣層?；鹦堑囊簯B鐵核太小，無法保持熱量。鐵核降溫，最終固化，火星的保護性磁場由此關閉。火星原來的強烈極光消失，裸露的火星遭到來自升溫的太陽的高能粒子一太陽風轟擊，火星大氣層被轟掉，火星表面水蒸發到太空。凍結在火星表面各處的微量水——火星生命的最后希望，被火星的母恒星——太陽扼殺。

在太陽系和其他恒星一行星系統中，行星命運都與行星環繞的母恒星息息相關。所以，在太陽系中太陽主宰我們的命運。隨著太陽的改變，地球周圍其他行星上的生命潛能隨之改變。這些行星的歷史提醒我們，可居住性是一種不會永久持續的脆弱平衡。太陽系中只有一顆行星一直保持液態水和可居住性，它就是地球。地球的非凡在于液態水和可居住性的穩定性。幾十億年來，地球在自己的整個歷史中都保持了大量液態水，正是這些水推動著地球生物演化?；鹦窃浻写罅恳簯B水（想象圖）。

地球特殊性將來會失去

地球真的很特殊。迄今為止，宇宙中確切知道的唯一生命之地就是地球。生命的發生不只需要液態水，而且需要水的長期存在。這正是地球的魔法。由于地球大小和地質學條件的適合，地球大氣層才得以足夠穩定幾十億年，從而保護了珍貴的水，讓復雜生命得以演化。而生命塑造著地球上的陸地和海洋，今天正是生命在維持一直保護我們脆弱生態系統的大氣層。但隨著太陽衰老，這種脆弱的平衡將難以為繼。太陽系所有行星都在變化，其中當然也包括地球。隨著地球變化，地球生命也必然會變化。目前的地球受到正好適量的太陽輻射，但隨著時間推移，到達地球的太陽輻射量必定會增加。

衰老的太陽持續升溫?？茖W家預測，地球溫度的升高最終會擾亂天氣模式，全球范圍大風暴大旱的概率陡增。隨著全球植物逐漸滅絕，氧含量將劇降。大約10億年后，地球上的復雜生命體系會消失。最終，地球大氣層將變得像金星和火星大氣層那樣大多數由二氧化碳組成，地球匕也會發生失控的溫室效應，地球同樣也會變成像今天金星這樣的火爐。當太陽的氫燃料耗盡后，太陽將進入紅巨星階段。這并非無端猜測，而是科學家通過對銀河系中其他恒星的調查得出的結論。

隨著太陽耗盡自己的氫燃料，它由此進入紅巨星階段，太陽外層會膨脹到太空幾百萬千米甚至更遠。水星將首先被太陽吞沒，接著金星也被吞沒，地球和火星茍延殘喘。最終，地球也被吞沒，地球生命打上句號。當然這是很久很久以后的事了。隨著太陽到達生命尾聲，太陽周圍的可居住地帶以及生命希望也將向外移動，進入太陽系外圍地帶。目前，那里是氣態巨行星所在地。因此，遙遠將來的生命立足點將不會是這些行星本身，而是在環繞行星的類地衛星上。例如：小小的含冰衛星恩克拉多斯（土衛二）、木星的含冰衛星歐羅巴（木衛二）和土星的另一顆衛星泰坦（土衛六）。

未來泰坦或許會出現生命

泰坦讓科學家尤為心動，因為它可能支持一種有別于地球生命的、讓人興奮的生命可能。1997年，美國宇航局“卡西尼號”探測器飛往泰坦。當時，“卡西尼號”經過木星，奔向寒冷的太陽系遙遠地帶，全程近16億千米。它計劃進入環繞土星的軌道，調查土星的冰環。在軌道中，它部署一部小型探測器“惠更斯號”探索比水星還大、被霧蒙蒙稠密大氣層覆蓋的泰坦。當時，泰坦的表面對科學家來說仍然是個謎。

2005年1月，“卡西尼號”向泰坦表面釋放由歐空局設計的“惠更斯號”。在下降過程中，“惠更斯號”向地球發回了泰坦的首批驚人照片。在這些照片上，科學家看到了明亮的高地，且高地上有暗色的水道。這樣的情景與地球何其相似！更驚人的是，“惠更斯號”在泰坦表面成功軟著陸，它發回地球的泰坦表面照讓科學家看到了泰坦與地球之間的更多相似。在“惠更斯號”著陸后，科學家立即分析它從遙遠泰坦上發回的數據，發現泰坦表面也有沖積平原和河流三角洲，那里的液體流動過程也在創生圓石。但因為泰坦表面溫度很低，只有-184°C，所以泰坦表面液體不是水。那是什么呢？“惠更斯號”在泰坦表面探查到了大量在地球上呈現為可燃氣體的甲烷，而相對高的大氣壓和低溫讓甲烷在泰坦表面呈液態。泰坦是潮濕的，但讓它潮濕的不是水，而是液態甲烷?？茖W家推測，泰坦表面也有風暴，但風暴中降下的雨是甲烷雨，泰坦表面的圓石頭很可能是液態甲烷沖刷出來的。

令人遺憾的是，“惠更斯號”只運作了幾小時就停止工作，它沒有探查到液態甲烷刻鑿河床之類的證據。但“惠更斯號”的母船“卡西尼號”在環繞土星的軌道中繼續活躍。在“惠更斯號”登陸泰坦一年后，“卡西尼號”在泰坦兩極地區上空高處飛過時，看見了被風吹雨打的泰坦安大略湖、波浪翻卷的麗姬亞海以及比地球上的安大略湖大5倍的克拉肯海。

迄今為止，在泰坦表面發現的甲烷湖已有好幾百個。很少有科學家認為今天泰坦表面存在生命，畢竟泰坦表面溫度太低。但如果泰坦升溫，考慮到泰坦所具備的生命要素，情況會怎樣？今天的泰坦表面存在大量有機化合物，但同時有生物學過程的可能性極低。不過，在遙遠未來，當地球和內太陽系變得不可居住時，泰坦所在地將得到更多太陽能量，泰坦表面溫度將明顯升高，液態水將替代液態甲烷，而甲烷將蒸發掉，冰山將變成海洋。誰能肯定那時的泰坦不會有復雜生命？

太陽系的故事向我們證明，可居住性并不是一個永久特征。太陽系是動態之地，太陽有生命周期，太陽一生都會讓可居住地帶此起彼伏。地球生命現在是獨特的，將來卻不一定，因為生命的死亡在太陽系任何地方都發生，只是時間不同而已。即便在銀河系中，恒星數量就達幾千億顆，行星數量更多，這不禁讓人退想：其中一部分行星上有沒有可能也存在生命？

（責任編輯程輝）