板块构造是地球生命起源关键？科学家在太阳系外寻找“同款”家园

数十亿年前，地球开启了一项人类迄今尚未在其他星球见过的自然过程。这一过程不仅塑造出全新地貌，还彻底重构了地球表面的碳循环，使得我们的星球家园在数十亿年间保持温和宜居。

这个自然过程就是板块构造。科学家认为，地球持续地对其岩石外壳板块进行归并、重塑，除了造就地球的宜居性，甚至还可能是生命出现和发展的一项不可或缺的先决条件——如果没有板块构造，湖泊河流可能早已冻结或蒸发，海洋可能缺乏营养物质，地球气候很可能早已偏离宜居轨道，生命或许无法发展到今天这样的程度。

尽管至少在理论上如此，但由于缺乏参照物，我们难以确知板块构造对地球欣欣向荣的生态是否至关重要。目前尚未发现其他行星存在板块构造：在太阳系4颗岩质行星中，唯有地球以这种方式循环利用地壳，而太阳系外也未观测到确凿证据。

近年来，借助詹姆斯·韦伯太空望远镜，科学家开始探索太阳系外岩质行星的地质特征——要发现存在板块构造的行星难度极大，但若能成功，这将成为解开地球生命起源之谜、在宇宙中寻找生命踪迹的一大关键。

板块构造是地球的“生命维持系统”

英国牛津大学的托比亚斯·迈尔指出，尽管其他星球上的生命可能无需板块构造也能生存，但可以确定的是，板块构造显著提升了地球生命繁衍的可能性。在他看来，若将地球比作太空飞船，板块构造便是其生命维持系统：既是循环再生装置，也是恒温调节器。

板块构造论描述了地球的岩石外壳如何碎裂成拼图般的板块，在黏稠如糖浆的地幔上漂移——在地幔高温物质向上涌出、板块相互分离的区域，裂谷沿线的火山喷发熔岩，形成新陆地；当板块发生碰撞时，其中一块可能滑入另一块下方，将低温高密度的物质推入地幔。

海洋生物依赖从大陆搬运入海的养分而繁荣，而海洋生物的繁盛又将养分回馈到陆地。有科学家认为，如果不是板块构造构建大陆地壳，并不断抬升新山脉，随着陆地日益平坦，侵蚀作用将减缓，会导致海洋关键养分的枯竭。

更甚者，若无板块构造，地球可能根本不存在液态水。板块构造掌控着地球的“天然恒温器”，即碳酸盐—硅酸盐循环。这是一个历经数百万年的循环：大气中的二氧化碳同水及新暴露的岩石发生反应，被结合到岩石中，最终通过板块构造被吞入地幔，随后又被火山重新喷发出来——这一过程对调节大气中的二氧化碳含量至关重要，也由此影响地表的气温平衡。

碳酸盐—硅酸盐循环一直在为地球兜底。它在历史长河中多次拯救地球免于气候灾难，包括至少两次“冰室地球”事件（全球彻底冰封）和多次温室期（几乎灭绝所有生命）。若人为造成的气候变化最终酿成灾难，或许在此后数百万年间，地球气候还将靠这个循环进行自我修复。

那么，其他星球也会存在类似的生命维持系统吗？如果板块构造过程对于地球形成宜居环境至关重要，那么它可能对于其他星球的环境塑造也具有重要意义。不过，除非我们能够在地球之外的行星上也找到类似的踪迹并加以研究，否则就无法知道确切答案。“仅凭研究地球，我们或许永远无法知晓地球板块构造的起源。”美国加州大学河滨分校的科尔比·奥斯特伯格认为，这正是系外行星研究极具价值的原因。

寻找具有板块构造的行星，将面临与探测外星生命同等艰巨的挑战，甚至更为困难。尽管历经数十年研究，生命起源与板块构造形成之谜仍未找到一槌定音的答案。加拿大蒙特利尔大学的比约恩·本内克说，这是因为地质过程的标志物往往比生命迹象更模糊。

首颗系外“板块行星”进入科学家视野

就目前所知，地球板块的缓慢翻腾运动，或许与覆盖其上的脆弱生物表层一样独特，甚至堪称独一无二。但或又并非如此。正如寻找外星生命一样，寻找具有板块构造的真正类地行星也是一场漫长的征程，需要未来几代望远镜的持续探测和几代研究者的不懈努力。

无论如何，这场探索之旅终于启程了。过去三年多，詹姆斯·韦伯太空望远镜开始以前所未有的精细度揭示少数岩质行星的奥秘。借助新技术与新获得的数据，科学家们正勇敢踏入全新领域——系外行星地质学。

目光投向太阳系外，首颗可能揭示板块构造特征的行星或许是LHS 3844 b，这颗行星围绕着一颗距离地球约49光年的暗淡小恒星运行。美国马萨诸塞州哈佛-史密松天体物理中心的塞巴斯蒂安·齐巴领导的团队，正在研究这颗系外行星的岩质地表。“能找到这样的一颗行星实在太酷了，尤其这些行星距离地球如此遥远。”他表示自己“实在太兴奋了”。

这颗岩质行星发现于2018年，略大于地球，却紧贴恒星运行，其公转周期仅为12小时，这种轨道使行星形成固定潮汐。而它一半永远面向恒星，另一半则“永不见天日”，这导致其昼夜半球温差高达770℃。

对地球人来说，这种环境真是如同炼狱。但迈尔指出，此类行星在银河系中似乎相当普遍。与围绕类日恒星运行的类地行星不同，这类“超短周期”的系外行星（即轨道运行极快的行星），因其相对明亮，且观测期间频繁经过恒星前方，因此成为詹姆斯·韦伯太空望远镜的理想观测目标。

迈尔特别想探究它们是否可能存在板块构造，其构造又可能会呈现何种模式。2021年，他与团队运用基于观测数据的计算机模型，发现LHS 3844 b可能因昼夜半球极端温差而形成了一种人类前所未知的行星构造类型——半球构造。

迈尔解释，这种构造从本质看是星球的一侧发生热物质上涌，而另一侧则有冷物质沉入地幔。”他认为，这种半球构造在其他潮汐固定的行星上可能普遍存在。尽管LHS 3844 b的地质构造比地球更不对称，但碎裂且可移动的地壳若能形成板块，至少可视为一种板块构造形式。这比金星、水星或火星的情况要理想得多。除上述行星外，迈尔团队已发现至少一颗可能以类似方式循环岩质外壳的行星。

行星火山活动或成板块间接证据

科学家虽还无法直接探测到其他星球上的构造板块，但可通过间接线索进行推测。特定模式的火山活动便是一种可能的迹象。

行星的构造机制决定了其内部物质的运动方式，而这对火山活动具有重大影响。例如，地球上的火山多分布在板块边缘，而在板块内部则极为罕见。因此，火山活动本身虽非板块构造的铁证，但特定的火山分布模式可能具有指示意义。迈尔预测，若LHS 3844 b存在半球构造，该行星一侧的火山活动将比另一侧活跃很多。

“对于火山活动如何受昼夜半球温差的影响，这些模型能作出可验证的预测。”荷兰格罗宁根大学的蒂姆·利希滕贝格指出，行星大小和成分也会对此产生影响，“从长远看，我们有望借此检验系外行星板块构造的基本原理”。

然而，探测系外行星的火山活动，并非将望远镜对准岩质行星，然后寻找发光熔岩场那么简单。相较于恒星，岩质系外行星体积过小且光度微弱，即便韦伯望远镜也难以直接观测。要了解这些星球上发生的情况，科学家还需运用巧妙的变通方案。

科学家们常用的一种研究方法是观测行星经过恒星表面时引起的恒星光线变化：行星经过恒星前方时，因恒星发热的光芒被遮挡，导致恒星亮度看似有微弱下降。通过分析这种微弱变化，科学家可测得行星温度，并寻找出可能指向火山活动的行星表面活动模式。

然而，利希滕贝格警告，这类测量极其困难，甚至会超越韦伯望远镜的观测精度极限。大家在尝试突破的同时，还在追踪其他可能的线索。比如，火山不仅释放热量，还会向行星大气喷发气体，而这些气体或许能被探测到。

科学家们首次观测到的外星火山气体，可能来自系外地球LP 791-18 d。本内克正领导一项韦伯望远镜项目，旨在确定该行星是否笼罩在富含二氧化碳的火山大气中。本内克指出，LP 791-18 d正处于它所属的恒星与一颗邻近巨大行星的引力拉锯战中，由此产生的潮汐力将从内部加热该行星，从而引发剧烈火山活动。

这种现象类似于木卫一的现状，该卫星遍布数百座活火山。本内克说，木卫一是太阳系中火山活动最活跃的天体，而LP 791-18 d正处于极其相似的环境中。“若能实际探测到这颗奇异星球的火山活动，将证实我们也能在其他行星上发现火山，而这些火山可能是板块构造的迹象。”

借助合适的工具，科学家终将能在岩质行星的大气中搜寻到特定火山气体的化学特征。奥斯特伯格及其团队在2023年发表了一项研究，探讨是否能够利用“宜居世界天文台”（美国国家航空航天局计划于本世纪40年代发射，接替韦伯望远镜）等设备，探测类地系外行星上火山活动的大气标志物。

二氧化硫一度被视为最可靠的火山活动潜在标志物，可作为近期喷发的铁证。但研究发现，其信号会被大气中的臭氧信号淹没。不过二氧化硫会随时间推移而消耗臭氧，因此臭氧浓度的波动反而可能指向火山活动。

检测火山霾或许也是一个可行方法，这类烟雾会暂时掩盖其他大气特征。奥斯特伯格觉得，若能进行为期一年的连续观测，或许就能推断出火山活动。

直接探测“星面” 解析岩石类型

还有一种方法可能揭示行星构造特征：解析其地质成分。

迈尔坦言，当韦伯望远镜的观测数据排除了LHS 3844 b等好几颗行星存在大气层时，许多人感到失望。“但我们必须将此视为机遇。若这些行星没有大气层，反而为我们提供了直接探测地表的便利。”他说。

“当生活给你一颗酸柠檬，就用它做杯柠檬水。”德国马普天文研究所的劳拉·克雷德伯格幽默地说，“当自然给你一颗无大气行星，就要思考如何利用它们”。

无论位于何处，岩石都承载着故事。比如玄武岩（形成夏威夷与冰岛地貌的主要岩石，多为黑色）形成于地表熔岩冷却时；绿色橄榄岩构成了地幔的主体；而花岗岩（占据地球大陆的主体，但几乎不存在于太阳系其他区域）则源于岩石在板块构造中反复熔融再生的过程。

鉴于岩石可能揭示遥远星球的历史，研究人员正着手确定某些无大气行星表面的主要岩石类型。LHS 3844 b尤其引人注目，因其温度极高却未达到熔融状态，这使得热发光成为这颗岩质行星中最易被观测到的特征——它可揭示岩石类型，甚至暗示其地表结构。

令人惊叹的是，这或许能让我们首次窥见LHS 3844 b地表的轮廓。齐巴正分析韦伯望远镜的数据，试图判断该行星表面究竟是平滑的（暗示近期火山活动导致地表更新），还是由破碎的风化层构成——在太阳系中，当岩质天体长期暴露于太空环境，多次遭受撞击和太阳风侵蚀时，便会形成风化层。若LHS 3844 b表面确由风化层构成，则很可能表明其地表年代久远，这对板块构造理论而言是个坏消息。

此类研究标志着人类首次涉足系外行星地质学这一全新领域，致力于探索外星岩石世界的内部构造与地表特征。克雷德伯格表示，目前科学家对岩质行星的认知仍“处于最表面的阶段”。