金星：宜居行星的最终形态?

金星和地球的起点基本相同，但在某一时刻，它们开始朝不同的方向演化。地球随后有了海洋和大气。与此同时，金星的表面变成了炽热的地狱，完全不适合生命居住。金星代表了所有宜居行星的最终状态，还是它只是同类行星的众多可能结局之一？这个问题的答案，将帮我们了解太阳系外行星是否存在生命。

达比·戴尔

（M. Darby Dyar）

苏珊娜·E·斯姆雷卡尔

（Suzanne E. Smrekar）

斯蒂芬·R·凯恩

（Stephen R. Kane）

1982年，麻省理工学院行星科学系的所有人都在谈论一件事：NASA的最新旗舰项目金星轨道成像雷达（VOIR）被取消了。本文作者戴尔在那个时候还是个研究生（另外两人还在读大学和小学)。研究生们在走廊里放声大哭，资深教师们摇头叹气。新当选的里根政府要全面削减太空探索预算，VOIR就是牺牲品之一。

但不久之后，科学家提出一个利用库存硬件制造廉价（6.8亿美元）航天器的方案，奇迹般地拯救了这个任务。1989年，担负金星勘察任务的“麦哲伦”号轨道飞行器发射升空，并于1990年进入金星轨道。在接下来的5年里，这个探测器不断将金星的各种数据传回地球，包括几乎覆盖整颗金星的雷达图像、重力数据和地形图等。在“麦哲伦”号之前，苏联和美国曾有过一连串的金星探测任务，而随着“麦哲伦”号在1994年坠向金星表面，NASA对金星探测器的支持也停止了。从那时起，科学家提出了超过25个重返金星的探测计划，尽管有一些计划得到评审委员会的高度认可，但没有一个得到批准。“麦哲伦”号在几十年前收集的数据至今仍是金星地球科学的基础。

但行星科学家从未放弃，而且即便条件不利，我们也成功揭开了这个行星的许多秘密。自“麦哲伦”号以来，欧洲和日本的航天机构都曾成功执行金星探测任务，让我们对金星大气有了突破性的认识。与此同时，科学家通过重新分析“麦哲伦”号的数据，一直在改写关于金星的教科书内容。我们现在知道，金星上火山活动频繁，甚至还发现了板块构造活动开始出现的迹象，科学家认为这对行星的宜居性至关重要。新的理论模型也表明，一直到金星演化历史的晚期，其表面都可能存在液态水，这意味着金星适合生命生存的时间可能远比我们曾经认为的长。

在此期间，天文学领域还有另一个惊人的进展：我们发现了成千上万个其他太阳系中的行星，其中有许多都与金星差不多——无论是大小还是到恒星的距离。因此，对这位邻居的了解可以帮助我们更好地认识那些遥远的、不可接近的世界。特别是，如果我们能查明金星是否也曾具备承载生命的条件，又是在何时具备这样的条件，我们就能更准确地判断那些类似金星的行星存在生命的可能性有多大。

地球与金星不同的结局

到目前为止，大部分系外行星都是天文学家通过凌星法发现的，也就是观察行星从恒星前面穿过时恒星亮度的波动。使用这种技术，我们可以测量一个遥远行星的大小，但是大小能告诉我们的信息很有限。如果一个外星观测者使用凌星法观测我们的太阳系，金星和地球看起来几乎完全一样。然而，现在的金星不可能存在生命，而地球在过去的40亿年中一直都是生命的乐园。

对于大小相似的行星，我们可以测量它们与恒星之间的距离，来进一步对它们分类。“宜居带”指的是恒星周围的一片区域，那里的岩质行星表面可能存在液态水。显然，地球就在这个区域内。我们认为，金星也曾长时间处于这个区域内。然而，由于太阳亮度随年龄增长而增强，宜居带的边界也随时间向外移动。金星现在已经处在这个范围之外，位于我们称之为“金星带”的地方。这个区域里的行星表面非常热，可能已经陷入了失控的大气温室效应，导致海洋完全蒸发掉了。

金星和地球是在非常相似的条件下形成的，包括那些让地球产生了海洋的条件。彗星撞击可能给这两个行星都带来了冰。太阳风（从太阳喷涌而出的带电粒子）很可能在它们表面播下了一层薄薄的氢离子。当金星和地球还是两颗原行星，在环绕太阳的原始尘埃盘中成长时，它们都收集了氢和其他挥发物（很容易蒸发的化学物质）。对早期金星的模拟表明，金星表面很早就有了液态水，可能比地球还早，而且这些水可能直到大约10亿年前都一直存在。

然而，金星现在却完全不适宜生命存在。到底发生了什么？金星代表了所有宜居行星的最终状态，还是它只是同类行星的众多可能结局之一？我们想重返金星，为这些重要问题寻找答案。

透过窗口观察金星

我们对金星的了解在一定程度上受限于浓密的有毒大气，要穿透这层大气观察金星是极为困难的。在高空，硫酸云笼罩着金星全球。在地面上，气压与地球海洋900米深处的水压差不多。由于金星大气的密度太大，其主要成分二氧化碳处于超临界流体状态，具有介于气体和液体之间的性质。

科学家认为，金星大气曾经与地球很相似。但与我们的行星不同，金星现在缺少一个排斥太阳风的磁场。在漫长的时间里，太阳风不断将水分解为氢离子和氧离子，并把它们带往太空，从而让金星失去了水。从金星内部不断逸出的二氧化碳和其他气体没办法溶解到水里，就会聚集在大气中。由于大气的温室效应，金星的地表温度比地球高约400℃以上，热到足以让岩石发光。

我们从金星表面得到的所有数据都来自苏联的4个金星登陆探测器，它们是在20世纪70年代和80年代登上金星的。这些探测器在环境严酷的金星表面只存活了几分钟，但在那短暂的时间内，它们收集并发回了金星表面化学成分的粗略测量结果。除了这些资料，我们要获取有关金星表面矿物的知识就只有两个途径，一个是“麦哲伦”号的雷达测量，而对测量结果的解释目前仍存在争议；另一个是分析金星条件下岩石和大气气体之间的可能化学反应，现有的知识也相当有限。

不过，研究人员最近发现，在金星轨道上，通过几个电磁波“窗口”去观察金星，就有可能绘制出这颗行星的矿物分布图。波长在“窗口”范围内的电磁波不会被大气中的二氧化碳吸收，而且幸运的是，要识别橄榄石和辉石这两种典型的行星矿物，要用到的特征波段恰好也在“窗口”范围内。这为我们确定金星的基本成分带来了希望。2006年-2014年，欧洲的“金星快车”飞船绕金星运行，通过一个电磁波“窗口”，科学家绘制出了第一张金星表面热辐射图，覆盖了金星南半球的绝大部分地区。通过分析这张图上的光谱特征，我们可以鉴别金星地面上的矿物。

热辐射图还标识出了许多热点，这些区域散发出如此多的热量，最有可能的解释就是近期有过火山活动。这是一个令人兴奋的发现，因为这说明，不同于寂静已久的月球和只有孤立火山活动的火星，金星现在仍很活跃——而且这一发现与行星是否适合生命存在密切相关。

金星上的板块活动

在地球上，火山活动通常与板块构造联系在一起。板块构造运动是大块地壳的移动和滑动，这一地质活动创造出了地球的大部分地质特征，也导致了周期大约为1亿年的长期气候循环，让地球上的生命得以诞生。最初的板块构造运动在地球的洋中脊形成新的地壳，还会让地壳沉入地幔，这两个过程使我们的星球失去内部的热量，冷却到生命可以产生的程度。构造运动也会把困在地球深处的水、二氧化碳和二氧化硫等挥发性化学物质释放到大气中，而当一个板块滑到其他板块下面时，又将这些挥发物带回到地幔中。

如果没有火山活动，就没有多少地表水，也就失去了孕育生命的摇篮。挥发性物质的循环有助于维持地球的大气层，这对生命的出现同样至关重要。大陆提供了一个高出海平面的稳定平台，让海洋生物可以进化为陆地生物，而陆地本身也是板块构造运动的产物。总而言之，了解金星是否有板块构造是非常关键的——如果有，为什么会出现板块运动？如果没有，又出于什么原因没有出现？

在地球上，有限的数据表明，板块构造运动早在40亿年前就开始了，此外几乎没有留下什么记录。我们其实并不知道行星是如何从一个玄武岩覆盖（可能已经有了海洋）的世界，转变为由多个运动板块构成的复杂系统。一个主流假说认为，来自地球内部深处的大团物质喷发到地表，导致了俯冲作用——一个板块滑到另一个板块之下。地质学家称这些炽热的物质为地幔柱，它软化了岩石圈（包括地壳和上地幔）并向上推挤，致使地球表面裂开。来自热柱头的压力会导致剧烈的火山活动，就像我们在地球和金星上观察到的那样。火山喷发出的物质让破裂的岩石圈承受了更多重量，使其下沉，促成了俯冲，让一层岩石圈滑动到另一层岩石圈之下。如果这种过程频繁发生，俯冲板块连接起来，板块构造运动就开始了。

这一系列过程可能正发生在今天的金星上。金星的岩石圈现在又热又薄，就像板块构造运动开始时的地球一样。而且有一些数据显示，金星上的某些地质特征与地球上的俯冲带有惊人的相似之处。阿尔忒弥斯冕状物（Artemis Corona）就是一个例子，它是金星赤道附近的一个圆形构造，规模和形状都与阿拉斯加海岸附近的阿留申海沟非常类似。科学家推断这些金星地质特征代表了热点，来自地幔的热柱在这里上升到金星表面，把地壳撕裂。

此外，最近的实验室实验和计算机模拟都表明，这些地幔柱正在它们撕破了顶层地壳的地方促使俯冲出现。实验还解释了为什么俯冲只发生在圆形构造的部分区域：当脆弱的岩石圈在中间裂开时，它会分裂成几个碎片，就像用铅笔戳纸时，纸张撕裂成几块不同的楔形一样。随着岩石圈的下沉，它会继续撕裂并形成更多碎片。因此，地幔柱之上的岩石圈不会整块下沉，只会分裂下沉和俯冲。如果这些碎片连接起来，我们就会看到金星启动了自己的板块构造运动。

由于拍到了这些地质特征的金星照片分辨率太低，我们还不能确定自己看到了什么。但至少目前看来，金星上的板块构造正处于早期发展阶段。“麦哲伦”号的观测没有发现连起来的板块，我们只看到了一些俯冲开始的孤立地点，都出现在地幔柱顶上的圆形区域周围。这就引出了两个问题：为什么板块构造没有更快地出现？现在会怎样发展下去？当金星随时间进一步冷却，现在裂开的断层可能会保持下去，让金星像地球一样向板块构造转变。如果我们能看到金星出现了板块构造活动，那么这种过程及其带来的大气稳定效果，就可能在太阳系外行星中普遍存在，使行星表面的环境变得宜居。

重返金星

我们现在有非常充分的理由启动一个新项目，去探索一直被忽略的金星。有了高分辨率的全球成像和光谱观测，我们就能回答有关金星火山活动和可能存在的板块构造的诱人问题。这样的过程现在是否真的出现了？金星地表活动与内部活动之间有什么联系？金星的环境条件，例如温度，对构造活动有怎样的影响？还有一些我们看到的地表特征，例如科学家称之为镶嵌地块（Tesserae）的褶皱，是液态水留下的痕迹吗？

2019年，NASA将为“发现项目”（Discovery mission）征集下一组方案，这个项目资助的是最小一级的空间探测器。本文作者斯姆雷卡尔和戴尔领导的团队提出了一个名为VERITAS（金星发射率、射电科学、干涉合成孔径雷达、地形与光谱学）的计划，该计划将以前所未有的精度测绘金星表面。如果实施这个计划，探测器将携带包括照相机和光谱仪在内的多种仪器，把金星地形测量的分辨率提高几个数量级，并绘制前所未有的矿物成分地图。其他研究者也正在筹划金星探测方案，我们应该可以在2021年看到最终的结果。

从“麦哲伦”号抵达金星到现在已经过去了近30年，发射“麦哲伦”号的那一代科学家已经老去、退休。一个新的金星任务能让研究者将火炬传递给新一代，后者能够带我们更进一步地了解为什么我们的姐妹行星会变得与地球如此不同。也许，我们甚至能够发现哪些条件才是生命诞生必不可少的。

（Scientific American中文版《环球科学》授权南方周末发表，杨安翻译，黄金水审校）