系外行星板块构造的新发现
【川透社节译报道】地球的板块构造对于生命的起源和存续至关重要。研究团队通过研究火山模式和大气中的火山气体,预测LHS3844b星球可能拥有一种新型的半球构造,这标志着我们对系外行星地质学领域进行了初步…
几亿年前,地球开始了一种未知的过程,彻底重塑了地球表面及其碳循环,塑造了新景观,并使我们的家园在数十亿年里保持温和和宜居,这个过程就是板块构造。地球不断地吸收并重塑其岩石外壳的板块;这一过程被认为与宜居性密不可分,可能是生命本身的必要前提。没有板块构造,我们的湖泊和河流可能已经冻结或蒸发,海洋可能已经缺乏营养,地球的气候可能早已偏离了可居住的领域。生命将会经历一段艰难的旅程。
但我们很难用实际参照验证,因而很难知道板块构造是否真的对地球的生态至关重要。借助詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST),科学家们开始探索我们太阳系之外的岩石世界的地质学。找到一个具有板块构造的行星将是一个巨大的挑战,但如果我们成功了,这可能是解开生命如何在地球上开始的关键——以及在没有板块构造的情况下,另一个世界上的生命是否可能生存。因为没有板块构造首先会使海洋缺乏关键营养物质;其次,我们可能根本没有液态水,它控制着地球的“自然恒温器”,即碳酸盐-硅酸盐循环,这个循环在数百万年的时间里调节地球的温度。
遥远的世界
也许其他更遥远的世界有类似的生命支持系统——现在,研究系外行星上的地质过程如板块构造的大门正在打开。实际上,我们可能仍然离在另一个世界上发现板块构造还有很长的路要走,就像我们离探测到外星生命的明确标志还很远一样。但这并不意味着我们没有取得进展。
LHS 3844 b 星球是一个比地球稍大的岩石世界,于2018年被发现。“所以,我真的有兴趣弄清楚:它们可能有板块构造吗?或者它们可能处于什么样的构造状态?”迈尔(Meier)说。2021年,他和他的团队使用基于观测的计算机模型来展示LHS 3844 b星球可能拥有一种由行星昼夜两侧巨大的温差驱动的新类型的外星构造:半球构造。
“我们基本上是指在一侧有上涌——热物质上升——而在另一侧冷物质下沉到地幔中,”迈尔说。他说,半球构造可能在其他潮汐锁定的世界上也很普遍。迈尔的团队至少发现了另一个可能以类似方式循环其地壳的行星。虽然LHS 3844 b星球的构造可能比地球的更不平衡,但一个破碎的、移动的地壳分裂成板块至少会是一种板块构造的形式,这比金星、水星或火星要好。
火山模式
我们还不能直接在其他世界上探测到构造板块,但我们仍然可能能够使用间接线索来寻找它们。一个可能的迹象是以特定火山活动模式的形式出现的。
如果LHS 3844b星球确实有半球构造,迈尔预测行星的一侧将远比其他侧更加火山活跃。但探测系外行星上的火山活动并不像指向一个岩石世界并寻找发光的熔岩场那样简单。因为与恒星相比,岩石系外行星太小太暗,即使是詹姆斯·韦伯太空望远镜也无法直接看到。因此,科学家需要使用巧妙的变通方法。
一种方法是我们通过筛选恒星的光来了解系外行星。然而,利希滕贝格(Lichtenberg)警告说,“进行这些测量非常困难。” 所以,另外一种方法就是去探测火山将气体喷入行星的大气中——这可能是我们能够探测到的。我们对异域火山气体的首次窥见可能来自凉爽的“类地外行星”LP 791-18d。加拿大蒙特利尔大学的比约恩·贝内克(Bjorn Benneke)正在领导一个詹姆斯·韦伯太空望远镜项目,以确定这颗行星是否被富含二氧化碳的火山大气所包围。实际上探测到这个奇异世界的火山活动将证实我们能够在其他行星上找到火山,这可能是构造活动的标志。
科学家们最终可以开始寻找岩石世界大气中特定火山气体的化学指纹。曾经,火山活动最有可能的潜在标志似乎是二氧化硫,这将是最近火山喷发的铁证。但研究人员发现,它的信号会被大气中的臭氧气体所淹没。然而,二氧化硫会随着时间消耗这种气体,因此臭氧水平的波动可能指向火山活动。火山活动另一个标志也可能检测到火山雾,这将暂时抹去其他大气特征。最后,还有另一种方法可以让我们对一个行星的构造状态有所了解:弄清楚它是由什么构成的。在这种情况下,我们可以观察表面岩石。无论它们在哪里,岩石都在讲述一个故事。比如说,玄武岩是一种黑色的岩石,它主导着夏威夷和冰岛的风景,当熔岩在地球表面冷却时形成。绿色的橄榄岩构成了我们星球地幔的大部分。而花岗岩——构成了地球大陆的大部分,但在太阳系的其他部分几乎不存在——是在岩石被熔化并反复循环的过程中形成的,就像板块构造一样。
由于岩石能够告诉我们遥远世界的历史的承诺,研究人员已经在尝试确定某些无空气行星的表面是由哪种岩石主导的。LHS 3844 b星球特别吸引人,因为它非常热,但不足以熔化——因此它的热辉光对于岩石世界来说尽可能容易发现。这种辉光的组成可以告诉研究人员存在什么样的岩石,甚至暗示其质地。
行星表面的岩石可以告诉我们地下深处正在发生的事情
令人惊讶的是,这甚至可能让我们首次窥见LHS 3844 b星球地貌的轮廓。齐巴(Zieba)正在分析詹姆斯·韦伯太空望远镜数据,以确定行星表面是平滑的,这表明最近火山活动更新了表面,还是由松散的碎石状风化层构成。如果LHS 3844 星球的表面是由风化层构成的,那将很好地表明其表面古老——这对板块构造来说是个坏消息。
这样的研究是我们进入全新领域——系外行星地质学的第一步,努力理解外星岩石世界的内部和表面。“我们才刚刚开始了解岩石行星,”克雷伯格(Kreidberg)说。但如果我们要理解为什么地球适合居住,我们几乎肯定需要在其他地方寻找板块构造。它似乎是我们星球上宜居性方程的关键部分,而且它在其他地方也可能很重要。但在我们有超过我们自己世界的东西来检查之前,我们无法确定。“我不知道我们是否能够仅通过研究地球来了解是什么引发了地球上的板块构造,”奥斯特博格(Ostberg)说。“我认为这就是为什么研究系外行星非常有价值。”
寻找另一个具有板块构造的行星将是一项与寻找外星生命相媲美的挑战。贝内克说,这可能更难,因为地质过程的标志往往比生命的标志更模糊。在这两种情况下,我们都在寻找我们尚未能在地球上完全解释的现象的外星实例。
据我们所知,地球板块构造的缓慢搅动可能和它们上面生长的脆弱生物层一样特别——独一无二。像寻找生命一样,寻找真正类似地球的具有构造活动的行星也将是一个长期的任务,这是未来几代望远镜,也许还有未来几代研究者的工作。但这是我们终于开始的旅程。【全文完】
来源:《新科学家》 2024年12月7日刊 | 作者:Elise Cutts
原文标题:Alien plate tectonics