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地球的構造活動可能對生命至關重要,在銀河系中也很罕見

我們的星球一直處於不斷的變化之中。構造板塊--分裂地殼的大塊岩石,使它看起來像一個破裂的蛋殼,構造板塊斷斷續續,不斷重塑我們的星球,並可能培育出生命。

這些板塊相互擠壓,建立山脈。它們逐漸降低,產生了存在數億年的海洋。它們彼此摩擦,觸發地震。它們在一個叫做板塊俯衝的過程中互相滑動,深入地球的內部,造成火山活動。地球不僅是有生氣的,而且是生命的容器。因為它是唯一已知的承載板塊構造和生命的行星,許多科學家認為這兩者可能是相關的。事實上,一些研究者認為,有能力幫助調節數十億年行星溫度的板塊,是生命的重要組成部分。

這種聯繫提出了誘人的可能性,如果科學家們能夠找到的系外行星能產生地震,他們也許能夠找到超越我們的地球的生命。因此,亞利桑那州立大學的天文學家開曼·恩特伯恩(Cayman Unterborn)著手確定遙遠的外行星是否有板塊構造的可能性。

他和他的同事發現的系外行星大部分可能無法維持板塊構造很長時間。他們的結果仍然不確定,因為科學家們不完全了解板塊構造如何在地球上開始(更別提在其他行星的發展方式),但他們確實指出,即使這個過程開始,也可能不會持續。這意味著地球不僅是已知在太陽系中移動板塊的唯一行星(儘管一些最近的證據表明水星可能也存在板塊移動),它也可能是銀河系中數量很少的這樣的行星之一。儘管如此,天文學家們懷疑,多達400億個可能居住的地球大小行星遍布星系。烏特伯恩(Unterborn)的研究表明即使只有三分之一的這些行星可以維持板塊構造,大約130億行星仍有可能是適合居住的行星!

但板塊構造對生命而言有多重要?可以從我們自己的星球的歷史中找到提示。大約25億年前,太陽變冷了,地球的液態海洋應該被凍結在雪球般的狀態,只是它們沒有變成這個狀態。科學家們認為,板塊構造作為一個全球溫控器,可能是我們的救世主,通過創造將二氧化碳噴入大氣層的火山,幫助其保留更多的熱量。然後,隨著太陽變得越來越熱,降雨量從大氣中清除二氧化碳,板塊構造後來將其推到地球的地幔(岩心之上的熱岩層)上,將其鎖住。正是這個周期,在百萬年的時間表裡,有助於保持地球的溫度足夠穩定,以支持生命。

然而,地球的例子並不能證明板塊構造是生命的必要條件。畢竟,行星可以沒有板塊構造的地質活動。看看火星,它擁有太陽系最大的活火山。不過,這座火山不再噴發。事實上,大多數曾經有地質活動的太陽系行星(甚至矮行星和衛星)現在都是靜止的。沒有板塊構造,火山活動迅速下降(有一些顯著的非構造異常,如木星木衛一和土星的土衛二)。因此,火星的眾多但卻熄滅的火山沒有排放二氧化碳到大氣中的能力,這讓火星現今非常寒冷。這樣的例子表明板塊構造,特別是持久的板塊構造,是調節行星溫度的最佳方法,因此是生命中的有益成分。

最新的研究似乎與先前的調查系外行星是否存在板塊運動相矛盾。2007年哈佛大學的行星科學家黛安娜·巴倫西亞(Diana Valencia)得出結論,超級地球(比地球更大的岩石行星)很可能承載板塊構造,這實際上是不可避免的。因為比地球更大的行星會從初始形成中保留更多的內部熱量,因為熱量驅動板塊構造(通過地幔中下沉和上升的岩石的輸送帶),板塊活動應該在這樣的行星上時間更長。問題在於巴倫西亞的研究(後來的許多研究)隻分析了一個參數:行星的大小。根據地球的構成,烏特伯恩(Unterborn)的研究是第一個解決板塊構造的研究。

為了進行這個分析,烏特伯恩(Unterborn)和他的同事需要確定一個外行星的化學成分是什麼樣的。雖然天文學家目前可以在外行星的氣氛中破譯這些元素,但是呢還沒有辦法深入到外行星的岩石內部。所以烏特伯恩(Unterborn)和他的團隊轉向了行星的宿主恆星。因為恆星和它們的行星是由相同的渦旋狀塵埃和氣體構成的,它們往往是由相同的物質構成的。研究人員研究了近1500顆恆星(包括開普勒太空望遠鏡觀察到的123顆太陽系外的行星軌道),然後用電腦模型發現這些不同組成的岩石對行星內部形成的高溫度和壓力的反應。

一旦他們了解了外行星的地幔和地殼可能是什麼樣子,就地球化學而言,科學家們能夠確定這個外行星的外殼是否足夠密集,足以沉入地幔中,正如地球的海洋板塊在卡斯卡迪亞俯衝帶,是北美長達1000公里的火山鏈,是一個板塊在另一個板塊下俯衝而形成的。進行計算涉及嚴格的建模:隨著板塊下降期間的壓力和溫度的升高,板中的原子經歷重組,使板塊更密集。如果板塊比周圍的地幔密實,那麼板塊將繼續下沉。如果是這樣的話,板塊構造可能會持續幾十億年。但如果不是這樣,板塊停止運轉,板塊構造就會關閉,危及生命出現的機會。

在可居住性方面,顯示出令人沮喪的結果:至少有三分之二的模擬行星構成一個太沉重的地殼。烏特伯恩(Unterborn)認為:如果俯衝發生,板塊下降,它將會突然反彈回來。如果這些板塊正在移動,他們可能彼此碰撞,向上摺疊,形成像喜馬拉雅山一樣高的山脈,但是一個板塊絕不會俯衝下面的另一個板塊去除多餘的二氧化碳或形成了將更多的將二氧化碳噴入大氣層的火山。因此,地球將無法調節自己的溫度,並很容易更新成一個類似冰雪或蒸氣的世界。

結果強調,行星的可居住性不能僅由金髮區定義,金髮區指在一個行星系統的軌道離其恆星的距離,使它既不太冷也不太熱。密度也不能決定什麼事「類地行星」。烏特伯恩(Unterborn)說:「密度不能決定行星的命運。這個行星需要一個地球品質,需要一個地球半徑,並且在其恆星的可居住區。」回溯到25億年前:除非考慮到地質,否則地球不會被認為是外星人可居住的天體。

賓夕法尼亞州立大學的地質學家布拉德福·福利(Bradford Foley)認同大多數岩石的外行星可能不會承載板塊構造,但他認為,更精確的細節,例如這些行星的確切百分比,還不能確定。他說:「我會把大部分的東西放在一邊,因為有些不確定因素會隨著更多的研究結果而改變。」

布拉德福·福利(Bradford Foley)指出,其中一個不確定因素是,地質學家們仍在爭論板塊構造如何在地球上開始的,以及現今扔在繼續推動板塊構造的原因。問題是,即使一塊板足夠密實地沉入地幔中,行星的岩石圈首先要破裂。但是,引起岩石圈破裂的原因在這個領域引起了激烈的爭論。烏特伯恩(Unterborn)通過尋找可能能夠經曆數十億年的板塊構造的行星來迴避這種問題。但是假設板塊構造神奇地開始了,即使是適當的元素混合,也不能保證板塊移動。然而,烏特伯恩(Unterborn)認為,它確實最大限度地增加了找到板塊構造和生命的機會。

烏特伯恩(Unterborn)將這項研究視為新領域的一個進步,他和他的同事向NASA天體生物研究所提交了一項建議,以進一步評估不同成分的物質如何在高壓和高溫下反應。而烏特伯恩(Unterborn)的研究是基於理論計算,新的小組想在實驗室裡合成這些岩石,並將它們物理化處理。這將使他們能夠繪製出更精確的影像,甚至可以探索如何改變組成可能會破壞岩石圈的另一個重要的啟動板塊構造的標準。

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