“锻造”遥远星球的地球实验室

编译 思羽

利用高压试验探索系外行星适合人类居住的可能。

费英伟与他的同事花费了一个月时间，仔细制作出3片致密的硅酸盐薄片。这些圆形薄片亮晶晶，厚度不超过1毫米。但到了2017年11月初，道别的时候到了。费英伟小心地包好样品，再放上几片备用品，塞进海绵中，从华盛顿特区快递到新墨西哥州阿尔伯克基。那儿的桑迪亚国家实验室的“Z脉冲功率设施”将在不久后向这些薄片发射出2 600万安培的电流，将它们逐一击成尘埃。

“Z机”能够复制核武器爆炸时内部的极端状况。但是费英伟心中有一个更加超脱的目标：他希望探究布氏岩（bridgmanite：地表之下深处发现的一种矿物）在太阳系以外的更大岩石行星内部温度更高、压力更大的环境下会如何表现。费英伟是卡耐基科学研究所地球物理学实验室的高压实验地质学家。

实验是对外空地质学的一次小小贡献。外空地质学这个研究领域正在让天文学家、行星科学家和地质学家聚首，一起探究系外行星可能的面貌。对于许多科学家而言，外空地质学是确定能够支撑生命的星球的探究之旅的自然延伸。天文学家早已经发现数千颗系外行星，收集了一些至关重要的统计数据，包括星球的质量与半径。那些在宜居带（或者称为“古迪洛克带”，这个区域的行星绕着寄主恒星旋转，温度足以让水以液态形式存在）作轨道运行的星球被认为是对生命格外友善的环境。

然而，地球有着更多的优点，不仅仅是大小、质量和合适的轨道，亚利桑那州立大学坦佩校区的外空地质学家开曼·温特博恩（Cayman Unterborn）说道。譬如说，不断搅动的熔融地核产生和维持了一片磁场，以保护地球脆弱大气层免受太阳风的侵袭。地壳板块的运动使得二氧化碳在岩石圈和大气层之间循环，这有助于控制全球气温。新发现的系外行星不断涌现。“天文学家正在意识到我们想要了解这些星系的更多情况，而不仅仅是收集行星，”温特博恩说：“将地质学引入这个交叉学科领域是自然而然的做法。”

Z脉冲功率设施能用来调查系外行星的物质构成

研究者正在使用模拟和实验手段（如费英伟的Z机实验）来了解什么样的系外行星可能有着与地球相似的地质情况。这些工作能帮助研究人员考虑该优先研究哪些系外行星。

不过，这个研究领域面临若干挑战，尤其是地球的地质情况本身仍然笼罩着许多疑云：如地壳活动是如何开始的、何时开始的。卡耐基研究所的地球化学家理查德·卡尔森（Richard Carlson）说：“这是改变地质学的基础发现，但我们仍然不知道地壳为什么像现在这样运动。”不仅如此，要确认一颗系外行星真的拥有地球一样的地质情况会很困难；天文学家极少直接观察这些行星，如果他们直接观察的话，行星在观察到的图像中可能只等于一个像素。

就算是对于地质活动的间接证据（或者最微小的暗示）能给予研究者这些遥远星球的更完整画面，以及哪些行星是最佳的候选对象。麻省理工学院的天体物理学家莎拉·西格（Sara Seager）说：“这就像是你碰到一个非常稀少证据的庞大犯罪现场，你尽最大的努力采集稀少证据，再尝试将证据拼凑起来。”

如图里所描绘的超级地球是否存在与地球相似的地质情况

视角向外

系外行星学最让人激动的研究对象之一是超级地球。这些岩石行星——质量可达到地球质量的十倍之多——在太阳系中找不到对等物。但现在我们已经知道，超级地球在银河系中相当常见，因为许多这类星球相当庞大，与地球大小的行星相比，它们可能成为较易进行详细观测的目标。

超级地球地质学的早期研究发表于大约10年前，考察了这些行星会是什么样子，如果其仅仅是地球的放大版。然而，在2004年首次发现的巨蟹座55e是颗炽热的星球，它强化了“超级地球可能迥然不同”的想法。2011年的观测揭示，巨蟹座55e的半径差不多是地球的两倍，质量是地球的8倍多，而星球的平均密度只比地球高一点，这样就提出了难解的谜题。

假如巨蟹座55e像地球一样有铁质核心和硅酸盐幔层，再考虑到它的大小，它的质量应该更重。如果有海洋包裹着整颗行星，那样会让巨蟹座55e的密度下降到与地球相似的水平。但是，巨蟹座55e太过炽热，以至于水无法长期存在；它的轨道与寄主恒星靠得太近，白昼的温度大约有2 500开尔文。

2012年出现了一种解释，当时在耶鲁大学任教的天文学家尼库·马杜苏丹（Nikku Madhusudhan）与他的同事决定采用一种新颖的手段。此前的研究表明，巨蟹座55e的寄主恒星比太阳有高得多的碳氧比。恒星和它们的行星都是从同一片尘埃和气体的旋转盘构建而成，所以，认为巨蟹座55e也会富含碳元素看起来很合理。当马杜苏丹在他的行星内部模型中将这种碳元素富集纳入考虑，产生的结果与星球的实际质量和半径相匹配。目前在剑桥大学任教的他说：“那是一个启示。”而且这样的星球会是全然陌生的。马杜苏丹猜想，巨蟹座55e的壳层由石墨占主导地位；在行星内侧，压力大概会把大量碳元素压成钻石。他说：“与我们在太阳系里见到的场面相比，它看起来相当极端。”

一颗由钻石构成的星球顿时激起我们的想象力，然而巨蟹座55e的寄主恒星也许实际上并不像预想的含有那么多碳元素。就算它确实含有大量碳元素，天文学家也发出警告，不要轻易假定行星的元素构成与它的寄主恒星的构成画上等号。西格注意到，这种想法无法有力解释太阳系行星的多样性。耶鲁大学的另一位天文学家格雷戈里·劳克林（Gregory Laughlin）说：“在当前，这是一种合理的推断，但我认为重要的是要意识到它不被铁所覆盖。”

建构系外行星

系外行星学家已经接纳了这种不确定性，正在尽全力确定遥远的星球是如何形成和演变的。为了从一系列起始元素到达地质学层面，科学家们需要知道形成了什么矿物质，它们何时熔化，它们的密度如何随着压力和温度而改变。这些数据可以用来模拟一颗行星如何从一团无差别、熔化的物质演变成层状结构，随着行星降温而形成矿物质，有些下沉，有些上浮。阿姆斯特丹自由大学的地质学家维姆·范韦斯特瑞恩（Wim van Westrenen）说：“我们可以建构起一个矿物学的、类似于洋葱皮的模型，模拟这些行星最初的样子。”研究人员能够使用数值模型预测行星如何演变，物质的迁移是否足以驱动壳层板块。为了给这些模型收集信息，地质学家开始让人造岩石承受高温、高压，以复制系外行星的内部结构，正如费和他的同事所做的那样。尽管这些实验的目标是新的，但实验手段并不新颖。几十年以来，实验岩石学家已经建造出仪器设备，用于模拟地球内部的状况，从地表下几厘米到核心的任何地点。许多研究者使用一种名叫钻石对顶砧的设备。该装置通过将两颗宝石质量钻石的钝尖推在一起来挤压材料。当一份样品接受高压时，可以用一道激光来给它加温。与此同时，实验者能够用X射线轰击材料，研究材料的晶体结构，探究材料受到高温高压时的变化方式。

这些研究者中包括亚利桑那州立大学的矿物物理学家沈尚宪（Sang-Heon Dan Shim），他和同事已经采用这种手段挤压富碳样品，这也许能反映出巨蟹座55e的构成。他们的研究工作已经揭示出：名叫“碳化物”的含碳化合物占主导的行星会如何传输热量，这些行星和地球这样的硅酸盐占主导的行星如何不同。

碳不是唯一让人感兴趣的元素。温特博恩指出，镁、硅与铁是影响行星整体结构的“三巨头”，影响热量在幔层中流动的方式，影响行星核心的相对大小，影响板块构造和全球磁场的存在。恒星中这些元素的比率差别巨大，太阳中镁原子和硅原子的数量相等；在其他恒星中，二者的比率从0.5到2。差别也许看起来很小，但如果相同的比率出现在行星中，它们可能急剧影响行星的地质情况。

许多教科书里主张，富含镁的岩石会比富含硅的岩石软得多，差别之大以至于行走在富含镁的星球上也许会感觉像行走在泥巴上一样。沈尚宪用钻石对顶砧对各种镁硅比率的岩石进行实验，他的研究工作表明，与富含硅的行星相比，这些星球可能拥有位置更深的岩浆库，结果就是出现更具灾难性的火山。但沈尚宪注意到其他参数（譬如矿物中水的浓度）也必须纳入考虑。

模拟高压

沈尚宪使用两颗钻石能够施加的压力不超过4 000亿帕斯卡，这比地核中的压力略高一些。为了探究超级地球的内部情形，他已经求助于地球上最明亮的X射线激光器：位于SLAC国家加速器实验室的“直线加速器相干光源”。这台设备能在样品内部生成激波，产生高达 6 000亿帕斯卡的压力——这种压力足以模拟质量为地球两倍之多的超级地球的核心。

地质学家们也在利用其他大型科研设施探索潜在的系外行星构成。“Z机”能达到1万亿帕斯卡的压力，预计质量差不多为地球3倍的超级行星内部有这种程度的压力。位于法国帕莱索和日本大阪的激光器设施能达到相似的幅度。部分研究者已经转向于借助加州劳伦斯·利福摩尔国家实验室的“国家点火装置”，这套装置用于研究核聚变，能够让样品承受高达5万亿帕斯卡的压力，这相当于木星内部深处的压力。这些实验仍在初级阶段，因为研究者要为这些设施的使用时间而竞争，慢慢积累各种基本化合物的实验数据。

最终，外空地质学家希望能发现，要构建出具有与地球相似地质情况的系外行星所需要的正确元素组合。俄亥俄州立大学的地质学家温迪·帕内罗（Wendy Panero）说：“我想要确定构成成分的‘古迪洛克带’，对于岩石成分来说，不太软又不太硬的宜居带是什么？”

答案也许并不清晰。即使外空地质学家完全知道一颗行星的成分，他们可能也不会对星球的状态有多少了解。比如说，早期的地球并没有承载板块构造，但不会永远这样。与地球相邻的金星表明：行星演变的差异如此之大。金星的质量、半径、组成成分、与太阳的距离都和地球的情况相近。但地球支撑生命，而包裹在二氧化碳的迷雾中的金星却毫无生机。科罗拉多大学博尔德分校的地质学家斯蒂芬·莫伊日什（Stephen Mojzsis）怀疑，地球上地壳板块的消失会最终导致地球像超级加热的相似星球。他说：“这是不可避免的，我们只是不确定会在什么时候发生。”所以，尽管最早的系外星球模型聚焦于星球组成，外空地质学家可能最终需要考虑额外因素（如行星演变的数十亿年时间）。

有些人预期，这项研究工作会帮助天文学家决定将哪颗星球作为探索生命的目标。假如科学家知道：要在数十亿年里维持磁场需要的条件，或者说驱使幔层中的对流需要的元素的比例，那么他们就可以建议同事去寻找满足这些标准的星球。然后，天文学家可以将强大的望远镜（如NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜，预计将在2019年发射升空）对准那些星球，搜寻它们的大气层，寻找外星生命的潜在特征。

也可以从远方发现地质活动。比如说，大气中出现的硫的短暂峰值可能是一座活火山存在的间接证据。行星旋转时反射率的变化也许暗示了大陆和海洋的存在，这也能表明有板块构造活动。

早已有人说起可能探测到巨蟹座55e上的火山活动。2016年，伯尔尼大学的天文学家布里斯-奥利维耶·德莫里（Brice-Olivier Demory）与他的同事发布了第一份巨蟹座55e的热力图，这是使用NASA的红外线斯皮策空间望远镜生成的。这颗行星被它的恒星潮汐锁定，于是行星的一半永远沐浴在恒星的日光下，一半永远处在黑暗中。行星最靠近恒星的地方应该最炎热，但德莫里和他的同事发现：最炎热地方的热量看起来被抵消了。他们认为：流动的熔岩带走了热量（尽管更近的研究主张：风可能带走了热量）。

显然，巨蟹座55e不是适合生命的地方；但其他星球也许更具吸引力。2017年更早时候，温特博恩完成了一项研究，查看了1 000多颗与太阳相似的恒星。他利用这些恒星的成分，判定其中有1/3的恒星可能拥有合适的行星，它们的壳层致密得足以沉入幔层，这个过程可能让板块结构活跃几十亿年。

尽管研究者刚开始探索系外行星的地质情况，卡尔森注意到，对这些星球的研究早已产生许多让人吃惊的结果，尤其是有证据表明一些行星似乎经历过大幅度迁移，远离了最初的轨道。这一发现使得天文学家重新思考太阳系的演变，推测相似的运动可能帮助携带若干物质（譬如水结成的冰）到地球上。卡尔森说：“我不认为人类在想象力和创造力上能企及大自然，因此，理解宇宙中的多样性会开阔我们的视野，接纳其他可能性。这些可能性会帮助我们更好理解人类的处境。”