編譯 思羽

利用高壓試驗探索系外行星適合人類居住的可能。

費英偉與他的同事花費了一個月時間，仔細制作出3片致密的硅酸鹽薄片。這些圓形薄片亮晶晶，厚度不超過1毫米。但到了2017年11月初，道別的時候到了。費英偉小心地包好樣品，再放上幾片備用品，塞進海綿中，從華盛頓特區(qū)快遞到新墨西哥州阿爾伯克基。那兒的桑迪亞國家實驗室的“Z脈沖功率設施”將在不久后向這些薄片發(fā)射出2 600萬安培的電流，將它們逐一擊成塵埃。

“Z機”能夠復制核武器爆炸時內部的極端狀況。但是費英偉心中有一個更加超脫的目標：他希望探究布氏巖（bridgmanite：地表之下深處發(fā)現(xiàn)的一種礦物）在太陽系以外的更大巖石行星內部溫度更高、壓力更大的環(huán)境下會如何表現(xiàn)。費英偉是卡耐基科學研究所地球物理學實驗室的高壓實驗地質學家。

實驗是對外空地質學的一次小小貢獻。外空地質學這個研究領域正在讓天文學家、行星科學家和地質學家聚首，一起探究系外行星可能的面貌。對于許多科學家而言，外空地質學是確定能夠支撐生命的星球的探究之旅的自然延伸。天文學家早已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆系外行星，收集了一些至關重要的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，包括星球的質量與半徑。那些在宜居帶（或者稱為“古迪洛克帶”，這個區(qū)域的行星繞著寄主恒星旋轉，溫度足以讓水以液態(tài)形式存在）作軌道運行的星球被認為是對生命格外友善的環(huán)境。

然而，地球有著更多的優(yōu)點，不僅僅是大小、質量和合適的軌道，亞利桑那州立大學坦佩校區(qū)的外空地質學家開曼·溫特博恩（Cayman Unterborn）說道。譬如說，不斷攪動的熔融地核產(chǎn)生和維持了一片磁場，以保護地球脆弱大氣層免受太陽風的侵襲。地殼板塊的運動使得二氧化碳在巖石圈和大氣層之間循環(huán)，這有助于控制全球氣溫。新發(fā)現(xiàn)的系外行星不斷涌現(xiàn)。“天文學家正在意識到我們想要了解這些星系的更多情況，而不僅僅是收集行星，”溫特博恩說：“將地質學引入這個交叉學科領域是自然而然的做法。”

Z脈沖功率設施能用來調查系外行星的物質構成

研究者正在使用模擬和實驗手段（如費英偉的Z機實驗）來了解什么樣的系外行星可能有著與地球相似的地質情況。這些工作能幫助研究人員考慮該優(yōu)先研究哪些系外行星。

不過，這個研究領域面臨若干挑戰(zhàn)，尤其是地球的地質情況本身仍然籠罩著許多疑云：如地殼活動是如何開始的、何時開始的?？突芯克牡厍蚧瘜W家理查德·卡爾森（Richard Carlson）說：“這是改變地質學的基礎發(fā)現(xiàn)，但我們仍然不知道地殼為什么像現(xiàn)在這樣運動。”不僅如此，要確認一顆系外行星真的擁有地球一樣的地質情況會很困難；天文學家極少直接觀察這些行星，如果他們直接觀察的話，行星在觀察到的圖像中可能只等于一個像素。

就算是對于地質活動的間接證據(jù)（或者最微小的暗示）能給予研究者這些遙遠星球的更完整畫面，以及哪些行星是最佳的候選對象。麻省理工學院的天體物理學家莎拉·西格（Sara Seager）說：“這就像是你碰到一個非常稀少證據(jù)的龐大犯罪現(xiàn)場，你盡最大的努力采集稀少證據(jù)，再嘗試將證據(jù)拼湊起來。”

如圖里所描繪的超級地球是否存在與地球相似的地質情況

視角向外

系外行星學最讓人激動的研究對象之一是超級地球。這些巖石行星——質量可達到地球質量的十倍之多——在太陽系中找不到對等物。但現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，超級地球在銀河系中相當常見，因為許多這類星球相當龐大，與地球大小的行星相比，它們可能成為較易進行詳細觀測的目標。

超級地球地質學的早期研究發(fā)表于大約10年前，考察了這些行星會是什么樣子，如果其僅僅是地球的放大版。然而，在2004年首次發(fā)現(xiàn)的巨蟹座55e是顆熾熱的星球，它強化了“超級地球可能迥然不同”的想法。2011年的觀測揭示，巨蟹座55e的半徑差不多是地球的兩倍，質量是地球的8倍多，而星球的平均密度只比地球高一點，這樣就提出了難解的謎題。

假如巨蟹座55e像地球一樣有鐵質核心和硅酸鹽幔層，再考慮到它的大小，它的質量應該更重。如果有海洋包裹著整顆行星，那樣會讓巨蟹座55e的密度下降到與地球相似的水平。但是，巨蟹座55e太過熾熱，以至于水無法長期存在；它的軌道與寄主恒星靠得太近，白晝的溫度大約有2 500開爾文。

2012年出現(xiàn)了一種解釋，當時在耶魯大學任教的天文學家尼庫·馬杜蘇丹（Nikku Madhusudhan）與他的同事決定采用一種新穎的手段。此前的研究表明，巨蟹座55e的寄主恒星比太陽有高得多的碳氧比。恒星和它們的行星都是從同一片塵埃和氣體的旋轉盤構建而成，所以，認為巨蟹座55e也會富含碳元素看起來很合理。當馬杜蘇丹在他的行星內部模型中將這種碳元素富集納入考慮，產(chǎn)生的結果與星球的實際質量和半徑相匹配。目前在劍橋大學任教的他說：“那是一個啟示。”而且這樣的星球會是全然陌生的。馬杜蘇丹猜想，巨蟹座55e的殼層由石墨占主導地位；在行星內側，壓力大概會把大量碳元素壓成鉆石。他說：“與我們在太陽系里見到的場面相比，它看起來相當極端。”

一顆由鉆石構成的星球頓時激起我們的想象力，然而巨蟹座55e的寄主恒星也許實際上并不像預想的含有那么多碳元素。就算它確實含有大量碳元素，天文學家也發(fā)出警告，不要輕易假定行星的元素構成與它的寄主恒星的構成畫上等號。西格注意到，這種想法無法有力解釋太陽系行星的多樣性。耶魯大學的另一位天文學家格雷戈里·勞克林（Gregory Laughlin）說：“在當前，這是一種合理的推斷，但我認為重要的是要意識到它不被鐵所覆蓋?！?/p>

建構系外行星

系外行星學家已經(jīng)接納了這種不確定性，正在盡全力確定遙遠的星球是如何形成和演變的。為了從一系列起始元素到達地質學層面，科學家們需要知道形成了什么礦物質，它們何時熔化，它們的密度如何隨著壓力和溫度而改變。這些數(shù)據(jù)可以用來模擬一顆行星如何從一團無差別、熔化的物質演變成層狀結構，隨著行星降溫而形成礦物質，有些下沉，有些上浮。阿姆斯特丹自由大學的地質學家維姆·范韋斯特瑞恩（Wim van Westrenen）說：“我們可以建構起一個礦物學的、類似于洋蔥皮的模型，模擬這些行星最初的樣子。”研究人員能夠使用數(shù)值模型預測行星如何演變，物質的遷移是否足以驅動殼層板塊。為了給這些模型收集信息，地質學家開始讓人造巖石承受高溫、高壓，以復制系外行星的內部結構，正如費和他的同事所做的那樣。盡管這些實驗的目標是新的，但實驗手段并不新穎。幾十年以來，實驗巖石學家已經(jīng)建造出儀器設備，用于模擬地球內部的狀況，從地表下幾厘米到核心的任何地點。許多研究者使用一種名叫鉆石對頂砧的設備。該裝置通過將兩顆寶石質量鉆石的鈍尖推在一起來擠壓材料。當一份樣品接受高壓時，可以用一道激光來給它加溫。與此同時，實驗者能夠用X射線轟擊材料，研究材料的晶體結構，探究材料受到高溫高壓時的變化方式。

這些研究者中包括亞利桑那州立大學的礦物物理學家沈尚憲（Sang-Heon Dan Shim），他和同事已經(jīng)采用這種手段擠壓富碳樣品，這也許能反映出巨蟹座55e的構成。他們的研究工作已經(jīng)揭示出：名叫“碳化物”的含碳化合物占主導的行星會如何傳輸熱量，這些行星和地球這樣的硅酸鹽占主導的行星如何不同。

碳不是唯一讓人感興趣的元素。溫特博恩指出，鎂、硅與鐵是影響行星整體結構的“三巨頭”，影響熱量在幔層中流動的方式，影響行星核心的相對大小，影響板塊構造和全球磁場的存在。恒星中這些元素的比率差別巨大，太陽中鎂原子和硅原子的數(shù)量相等；在其他恒星中，二者的比率從0.5到2。差別也許看起來很小，但如果相同的比率出現(xiàn)在行星中，它們可能急劇影響行星的地質情況。

許多教科書里主張，富含鎂的巖石會比富含硅的巖石軟得多，差別之大以至于行走在富含鎂的星球上也許會感覺像行走在泥巴上一樣。沈尚憲用鉆石對頂砧對各種鎂硅比率的巖石進行實驗，他的研究工作表明，與富含硅的行星相比，這些星球可能擁有位置更深的巖漿庫，結果就是出現(xiàn)更具災難性的火山。但沈尚憲注意到其他參數(shù)（譬如礦物中水的濃度）也必須納入考慮。

模擬高壓

沈尚憲使用兩顆鉆石能夠施加的壓力不超過4 000億帕斯卡，這比地核中的壓力略高一些。為了探究超級地球的內部情形，他已經(jīng)求助于地球上最明亮的X射線激光器：位于SLAC國家加速器實驗室的“直線加速器相干光源”。這臺設備能在樣品內部生成激波，產(chǎn)生高達 6 000億帕斯卡的壓力——這種壓力足以模擬質量為地球兩倍之多的超級地球的核心。

地質學家們也在利用其他大型科研設施探索潛在的系外行星構成?！癦機”能達到1萬億帕斯卡的壓力，預計質量差不多為地球3倍的超級行星內部有這種程度的壓力。位于法國帕萊索和日本大阪的激光器設施能達到相似的幅度。部分研究者已經(jīng)轉向于借助加州勞倫斯·利福摩爾國家實驗室的“國家點火裝置”，這套裝置用于研究核聚變，能夠讓樣品承受高達5萬億帕斯卡的壓力，這相當于木星內部深處的壓力。這些實驗仍在初級階段，因為研究者要為這些設施的使用時間而競爭，慢慢積累各種基本化合物的實驗數(shù)據(jù)。

最終，外空地質學家希望能發(fā)現(xiàn)，要構建出具有與地球相似地質情況的系外行星所需要的正確元素組合。俄亥俄州立大學的地質學家溫迪·帕內羅（Wendy Panero）說：“我想要確定構成成分的‘古迪洛克帶’，對于巖石成分來說，不太軟又不太硬的宜居帶是什么？”

答案也許并不清晰。即使外空地質學家完全知道一顆行星的成分，他們可能也不會對星球的狀態(tài)有多少了解。比如說，早期的地球并沒有承載板塊構造，但不會永遠這樣。與地球相鄰的金星表明：行星演變的差異如此之大。金星的質量、半徑、組成成分、與太陽的距離都和地球的情況相近。但地球支撐生命，而包裹在二氧化碳的迷霧中的金星卻毫無生機?？屏_拉多大學博爾德分校的地質學家斯蒂芬·莫伊日什（Stephen Mojzsis）懷疑，地球上地殼板塊的消失會最終導致地球像超級加熱的相似星球。他說：“這是不可避免的，我們只是不確定會在什么時候發(fā)生?！彼?，盡管最早的系外星球模型聚焦于星球組成，外空地質學家可能最終需要考慮額外因素（如行星演變的數(shù)十億年時間）。

有些人預期，這項研究工作會幫助天文學家決定將哪顆星球作為探索生命的目標。假如科學家知道：要在數(shù)十億年里維持磁場需要的條件，或者說驅使幔層中的對流需要的元素的比例，那么他們就可以建議同事去尋找滿足這些標準的星球。然后，天文學家可以將強大的望遠鏡（如NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，預計將在2019年發(fā)射升空）對準那些星球，搜尋它們的大氣層，尋找外星生命的潛在特征。

也可以從遠方發(fā)現(xiàn)地質活動。比如說，大氣中出現(xiàn)的硫的短暫峰值可能是一座活火山存在的間接證據(jù)。行星旋轉時反射率的變化也許暗示了大陸和海洋的存在，這也能表明有板塊構造活動。

早已有人說起可能探測到巨蟹座55e上的火山活動。2016年，伯爾尼大學的天文學家布里斯-奧利維耶·德莫里（Brice-Olivier Demory）與他的同事發(fā)布了第一份巨蟹座55e的熱力圖，這是使用NASA的紅外線斯皮策空間望遠鏡生成的。這顆行星被它的恒星潮汐鎖定，于是行星的一半永遠沐浴在恒星的日光下，一半永遠處在黑暗中。行星最靠近恒星的地方應該最炎熱，但德莫里和他的同事發(fā)現(xiàn)：最炎熱地方的熱量看起來被抵消了。他們認為：流動的熔巖帶走了熱量（盡管更近的研究主張：風可能帶走了熱量）。

顯然，巨蟹座55e不是適合生命的地方；但其他星球也許更具吸引力。2017年更早時候，溫特博恩完成了一項研究，查看了1 000多顆與太陽相似的恒星。他利用這些恒星的成分，判定其中有1/3的恒星可能擁有合適的行星，它們的殼層致密得足以沉入幔層，這個過程可能讓板塊結構活躍幾十億年。

盡管研究者剛開始探索系外行星的地質情況，卡爾森注意到，對這些星球的研究早已產(chǎn)生許多讓人吃驚的結果，尤其是有證據(jù)表明一些行星似乎經(jīng)歷過大幅度遷移，遠離了最初的軌道。這一發(fā)現(xiàn)使得天文學家重新思考太陽系的演變，推測相似的運動可能幫助攜帶若干物質（譬如水結成的冰）到地球上。卡爾森說：“我不認為人類在想象力和創(chuàng)造力上能企及大自然，因此，理解宇宙中的多樣性會開闊我們的視野，接納其他可能性。這些可能性會幫助我們更好理解人類的處境。”