尋找外星生命的全新領域系外行星的板塊構造研究

板塊運動對地球生命至關重要，但我們并不知道它是否會在其他星球發生一一現在，謎底即將揭曉。

板塊運動即地球不斷地吸收和改造巖石外殼板塊的進程。人們認為，這與地球的宜居性有著千絲萬縷的聯系，甚至可能是生命產生的重要先決條件。如果沒有它，我們的湖泊和河流可能會凍結或蒸發，海洋可能會缺乏營養物質，地球的氣候或許早就變得不適宜居住，生命的延續會很艱難。

不過，這只是我們的想法。我們很難知道板塊運動是否真的對地球的生態環境至關重要，因為沒有什么可以比較的對象。據我們所知，沒有其他行星出現板塊運動現象。在我們太陽系的四顆巖石行星中，地球是唯一以這種方式回收地殼成分的行星。我們也沒有在太陽系以外發現板塊運動的明確跡象。

一直以來，事實都是如此。但現在，在詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）的幫助下，科學家開始探索太陽系以外的巖石星球的地質環境。尋找板塊構造是一個巨大的挑戰。但如果我們成功了，這可能是弄清楚地球上生命如何開始，以及在茫茫宇宙中的何處尋找生命的關鍵。

養物質，而陸地生物則依賴海洋的肥沃程度。但是，一些科學家認為，如果沒有板塊運動構造大陸地殼并不斷推高新的山脈，隨著土地變得越來越平坦，侵蝕會減緩，導致海洋生物缺乏關鍵的營養物質。

再者，如果沒有板塊運動，我們可能根本就沒有液態水。它控制著地球的“自然恒溫器”，即碳酸鹽-硅酸鹽循環，該循環在數百萬年的時間里起著控制地球溫度的作用。在這個循環中，天氣中的二氧化碳與水和新暴露的巖石發生反應，最終通過板塊運動被吞噬到地球的地幔中，然后被火山再次噴出。它對于調節大氣中的二氧化碳含量并調控我們星球的溫度至關重要。

牛津大學的托拜厄斯·邁耶（TobiasMeier）說，雖然另一個世界上的生命或許可以在沒有板塊構造的情況下生存，但“我們確實知道，在地球上，它肯定是使生命更有可能延續和進化的重要原因”。如果地球是一艘宇宙飛船，板塊運動就是它的生命支持系統。它集回收功能和恒溫功能于一體。板塊運動告訴我們，地球的巖石外殼是如何斷裂成碎片的。板塊在黏稠的糖蜜狀地幔上漂移。在地幔熱物質向上流動以及板塊撕裂的地區，熔巖沿著裂谷從火山噴出，形成新的陸地。當板塊碰撞在一起時，一個板塊最終會滑到另一個板塊之下，將冷而致密的物質推入地幔。

碳酸鹽-硅酸鹽循環在歷史上一直是地球的救星。它在之前漫長的歲月里不止一次將地球從氣候災難中拯救出來，比如至少發生過兩次的“雪球地球”事件。在這兩次事件中，整個世海洋生物依賴陸地侵蝕帶來的營界都凍結了，并在多個溫室時期幾乎殺死了所有生命。如果人為造成的氣候變化最終導致了災難的發生，那么在數百萬年的時間里，正是這種循環使我們的星球得以治愈。

遙遠的世界

也許其他更遙遠的星球也有類似的生命維持系統一現在，研究系外行星板塊運動等地質過程的大門正在打開。例如，在過去的兩年里，JWST已經開始揭示少數巖石星球前所未有的細節。

實際上，我們可能還需要很長時間才能發現另一個行星的板塊運動，就像我們離探測到外星生命的明確特征還有很長的路要走一樣。但多虧了新的數據和技術，科學家正在邁出第一步，從而進入一個全新的領域：系外行星地質學。

如果我們想找到板塊構造—或者某個奇特的外星球的類似構造我們就必須把目光投向太陽系之外。第一顆顯示其構造特征的星球是一顆名為LHS3844b的行星，它圍繞著大約49光年外的一顆小而暗淡的恒星運行。“我真的很興奮。”馬薩諸塞州哈佛-史密森天體物理中心的塞巴斯蒂安·齊巴（SebastianZieba）說。他正在領導一項研究這顆系外行星巖石表面情況的工作。“這真的很酷，因為這些行星離我們太遠了。”

LHS3844b于2018年被發現，是一個比地球大一點的巖石星球。它與恒星的距離如此之近，以至于它的一年只持續12個小時。這種近日軌道也導致這顆行星被潮汐鎖定：一個半球總是面向恒星，而另一個半球永遠曬不到恒星光，導致白天和夜晚的溫差約為 。很難想象還有比這更奇怪的地方。但邁耶說，這樣的行星在我們的銀河系中似乎很常見。與地球這種圍繞類太陽恒星運行的常規行星不同，這些“超短周期”的系外行星具有極快的軌道參數。它們是JWST的理想目標，因為它們的相對亮度很高，并且頻繁地從恒星前方經過。

邁耶說：“所以，我真的很想弄清楚，它們可能有板塊運動嗎？或者它們可能處于什么樣的板塊構造狀態？”2021年，他和他的團隊使用基于觀測的計算機模型表明，LHS3844b可能會出現一種由行星晝夜兩側巨大的溫度差異驅動的新型外星構造：半球板塊構造。

邁耶說：“我們指的是一側的熱物質上升、另一側的冷物質沉入地幔的過程。”他說，半球構造可能在其他潮汐鎖定的世界也很普遍。邁耶的團隊發現了另一顆可以通過類似方式回收地殼的行星。雖然LHS3844b的構造比地球更不穩定，但碎片狀并且可移動的地殼至少也算是一種板塊運動，比金星、水星或火星的構造更為明顯。

火山跡象

我們還不能直接在其他星球上探測到板塊構造，但我們仍然可以使用間接的線索尋找它們。一個可能的線索是火山活動的特殊跡象。行星的構造機制決定了物質如何在其內部移動，這可能會對火山活動產生巨大影響。例如，在地球上，火山往往沿著板塊邊界爆發，很少在板塊內爆發。因此，雖然火山活動本身并不是構造的確鑿證據，但火山活動的某些跡象可能會揭露一些信息。如果LHS3844b確實存在半球構造，邁耶預測其一側的火山活動將遠遠超過另一側。

一般來說，我們通過篩選恒星的光線來了解系外行星。一種方法是觀察一顆行星從其恒星后面經過，導致恒星明顯變暗，因為行星溫暖的光芒被阻擋了。通過隔離這種光線，科學家可以測量行星的溫度，并尋找其表面可能暗示存在火山活動的跡象。

然而，有專家警告說：“我們需要談論的是JWST的精度極限。我們很難進行這些測量。”他和其他研究人員仍在嘗試探測，但與此同時，還有其他線索需要追蹤。這是因為火山不僅會釋放熱量，它們還會向行星的大氣層中噴出氣體一這可能被我們探測到。

我們首次觀測到的外星火山氣體可能來自涼爽的“系外地球”LP791-18d。加拿大蒙特利爾大學的比約恩·本內克（BjomBenneke）正在領導一個JWST項目，以確定這顆行星是否籠罩在富含二氧化碳的火山大氣中。本內克說，LP791-18d陷入了其恒星和一顆巨大的鄰近行星之間的引力拉鋸戰中，由此產生的潮汐力應該會從內到外加熱 ，從而導致強烈的火山活動。

有了合適的工具，科學家就可以開始尋找巖石星球的大氣中特定火山氣體的化學指紋。加州大學河濱分校的科爾比·奧斯特伯格（ColbyOstberg）和他的同事研究了是否有可能使用像宜居世界天文臺（HWO）這樣的望遠鏡探測類地系外行星上火山活動的大氣特征。宜居世界天文臺是美國宇航局初步計劃在21世紀40年代發射的JWST的擬定繼任者。

需要注意的是，研究火山活動最有希望的潛在特征似乎是二氧化硫，這是火山即將爆發的直接證據。但研究人員發現，它的信號會被大氣中的臭氧氣體淹沒。然而，隨著時間的推移，二氧化硫會侵蝕這種氣體，因此臭氧水平的波動可能表明火山活動存在。

我們也有可能探測到火山灰，這會暫時抹去其他大氣特征。奧斯特伯格說：“如果你在一年內進行了一系列觀測，那么你可能會推斷出火山活動是否存在。”

基本事實

我們還可以通過另一種方式了解一顆行星的構造機制：弄清楚它是由什么組成的。邁耶說，JWST否定了部分行星大氣層的存在，包括頗有前景的LHS3844b，“很多人都很失望”。“但我們可以把這看作一個機會。如果這些行星沒有大氣層，這基本上給了我們一種直接探測表面的方法。”

由于巖石可以告訴我們遙遠星球的歷史，研究人員已經在試圖確定哪種巖石主導著這些無空氣行星的表面情況。LHS3844b特別令人感興趣，因為它非常熱，但還不足以熔化一所以它的熱發光成分在巖石星球中是最容易被發現的。這種發光的成分可以告訴研究人員那里存在什么樣的巖石，甚至暗示其組成物質。

值得注意的是，這甚至可能讓我們初步了解LHS3844b的地形輪廓。齊巴現在正在分析JWST的數據，以確定這顆行星的表面是否光滑，這可以表明其表面情況是火山噴發造成的，還是由易碎的碎石狀風化層組成的。當巖石體長時間暴露在太空中并受到撞擊和太陽風的沖擊時，就會形成風化層。如果LHS3844b的表面是由風化層組成的，這可以強有力地說明其表面十分古老一但對板塊運動來說，這不是一個好的跡象。

這樣的研究是我們進入全新的系外行星地質學領域的第一步。我們正在努力了解巖石外星球的內部和表面。

但如果我們要了解為什么地球適合居住，就需要在其他地方尋找板塊運動。這似乎是造就我們星球上宜居性氣候的關鍵部分，在其他地方同樣也可能很重要。但我們不能確定，除非有更多的東西可供研究。奧斯特伯格說：“我們可能不會僅僅通過研究地球了解地球構造的起源。我認為這就是系外行星真正有價值的原因。”

尋找另一顆具有板塊運動的行星將是一項與尋找外星生命難度相當的挑戰。本內克說，這甚至可能更難，因為地質過程的特征往往比生命的特征更模糊。在這兩種情境中，我們都在尋找地球上尚且無法完全解釋的現象的外星實例。盡管進行了數十年的研究，但生命的起源和板塊運動的起源都不能說是具有確定結論的科學。發現后者可能有助于我們理解前者。

據我們所知，地球構造板塊的緩慢波動可能與生長在其上的脆弱生物表層一樣特殊，可以說獨一無二。當然也可能不是。就像尋找外星生命一樣，尋找具有板塊構造的真正類地行星將是一項漫長的任務。這將是未來幾代望遠鏡的任務，也許也是未來幾代研究人員的任務。但這是我們即將開始的旅程。

本文作者埃莉斯·卡茨（EliseCutts）是麻省理工學院地球科學碩士、加州理工學院地球生物學學士，現為科學記者，主要報道物理學、數學和基礎生物學等跨學科領域