04.14 超级地球的 “内心世界”

未来,即使发现了类似地球一样的太阳系外行星,我们恐怕也无缘从近处一睹“芳容”,因为它们实在离地球太遥远了。但难道我们对它们的了解只好就此止步了吗?

超级地球的 “内心世界”

得益于观测技术日新月异的进步,未来10年,太阳系外的行星将会应接不暇地涌进我们的视野。它们中多数可能是类似木星的气态巨行星,因为此类行星质量巨大,最容易被观测到,但也会有类似地球的、主要由岩石构成的行星,而且质量可能是地球的好几倍。我们不妨把后一类行星称为“超级地球”,这类行星目前已经发现30多个。它们是宇宙中外星生命家园的理想候选者。

但是这些超级地球都远在许多光年之外,我们找到它们已属不易,更遑论详细了解了(人类通过观测最多只能得到质量、大小和轨道半径等信息)。要派个飞行器飞到它们的表面走一遭,也不够现实。那怎么办?难道我们就到此止步了吗?不!科学家说,根据观测得来的有限几个数据,利用理论模型,再结合已知的地球及太阳系其他行星的相关知识,我们或许就能推测出这些遥远行星从地心到地表的许多细节。

从里到外猜个透

让我们先来看它们的组成成分。由于在宇宙中,太阳是最“大众化”的恒星之一,可以想见,大多数“太阳系”也会跟我们的太阳系一样,拥有类似的成分,所以大多数超级地球的物质构成也应该跟地球相似——主要由硅、氧、碳、镁、铁和少量其他元素构成。

超级地球视它们在各自“太阳系”中所处的位置,可以分成两类。如果离母恒星足够远,那它在形成时就会横扫周围的原始冰粒,这样,这种行星上水的含量就会远远超过太阳系中像地球这样的行星(有越来越多的证据表明,地球上的水主要来自地球形成后从太空掉落的小行星),表面大概就不会有陆地露出来。相反,如果形成时距离母恒星较近,那么那里就太热,行星形成时轨道附近不会有冰粒存在,这些行星像地球一样,含水将比较少,星球表面会有陆地存在,。

我们所谈论的超级地球都是岩态行星,这类行星最初应该是一团炽热的熔岩,所有物质都处于熔融状态,并随着不断向太空辐射热量而开始冷却。在冷却过程中,处于液态的铁因为密度较大而沉入中心。于是这颗行星就形成了像地球一样的结构:中心拥有一个铁核,还有一个以硅酸盐为主的地幔。

行星越大,核心所受到的压强也越大。我们知道,对于一般的物质,压强越大,熔点越高。对于质量为几倍地球的超级地球来说,其核心的压强是如此之大,根据理论计算,那儿的铁甚至可以在1万度的高温下仍然保持固态。而核心1万度的高温,对于超级地球大概只有在极早期才达到过,只要稍稍冷却,中心的液态铁就足以凝固。

地球也有一个凝固的、半径不大的铁核,我们称之为内核,但在内核之外,还有一个液态铁的外核。外核中的液态铁处于对流之中,从而形成了地磁场。而地磁场是地球生命的天然保护伞,替我们阻挡了杀伤力极强的太阳风和宇宙射线。

对于超级地球,由于其内部巨大的压强,类似地球的液态铁外核就不会有了,因此也就不会有全球的磁场。目前,我们还不能完全确定,磁场是否是生命存在的必要条件,如果是,那超级地球的陆地上就不会有高级生命存在,要有也只能在深水里,因为水也可以阻挡强烈的辐射。

超级地球虽然没有液态铁外核,但依然有与地球类似的、处于熔融状态的地幔。在地球上,地幔物质处于不断的对流中,将内部的热量携带到外层。这些热量一部分是地球形成之初留下的,另一部分是地幔中放射性元素衰变释放出来的。对于超级地球,这两种热量的源泉都应该存在,而且,因为它们拥有的放射性元素的绝对数量要超过地球,所以地幔物质的对流应该比地球地幔强。

地幔的最外层是固态的岩石圈——地壳。关于超级地球的地壳特点,我们在下节中谈。对于那些含水不特别丰富的超级地球,从里到外也就到此为止了,可是对于那些含水丰富的超级地球,在地壳之外或许还会形成一个厚厚的水层——一个覆盖全球的海洋。在海洋深处,还会发生一些离奇的事情。

我们知道,水有好些“非常”的状态:在高压下,即使超过100摄氏度,水也可以保持液态;冰在高压下,即使温度远高于0摄氏度,也可以保持固态。如果在超级地球上水层很厚,比如说达到几百千米深,那么海底的水可能都以冰的形式存在。因此,此类超级地球在地壳之外,或许还裹着一层冰壳,冰壳之外,才是水层。而且我们知道,地球上的海水是因河流长年把陆上的矿物质带到海里才变咸的,而那里的岩石圈一开始就裹在冰壳里,与水层隔绝,所以那里的海水应该全部是淡水。

超级地球的 “内心世界”

对“外星人”迷们是个好消息

我们前面提到,由于超级地球中所含的放射性元素绝对量比地球多,所以那儿处于熔融状态的地幔物质对流要比地球强。在地球上,地幔物质的对流是推动地壳板块漂移的主要动力,所以不难想象,超级地球上板块移动速度要比地球快。

这会造成什么后果呢?让我们先来温习一下地球板块的构造理论:板块形成于大洋的中脊;在那里,由于板块下面地幔物质的对流,板块向两边上漂去;在裂缝处,新的地壳形成;新生的地壳一开始很薄,在移动和冷却的过程中不断变厚,直至与另一板块相撞,最终的结局,要么被另一板块抬起来,要么沉入另一板块底下,重新熔化成地幔物质。

由此可见,新生的板块移动越慢,越有充分的时间冷却,那么它的厚度就越大。超级地球的板块移动快,这意味着它的地壳板块将比地球地壳薄。板块越薄,就越容易变形,于是我们可以得出这么一个结论:在超级地球上,火山和地震或许会比地球上更加活跃。

那这样一来,这种地方岂不更不适宜生命的生存了?且慢下这个结论。的确,在地球上火山或者地震对于局部地区的生物生存是不利的,但从全局来看,对生命未必是件坏事。

还是以地球为例,让我们把这层意思解释一下。在地球上,地质活动尤其是火山,会持续不断地把二氧化碳和其他气体喷入大气。我们知道,二氧化碳是一种温室气体,能给地球保温,不让它冻成一个冰球。但二氧化碳浓度要是只升不降,那地球上的气温就会太热,也一样不适宜生命生存。所幸二氧化碳易溶于水,溶解在水里的二氧化碳与钙离子结合,就会生成不溶于水的碳酸钙,最终在海底形成沉积物。当海洋地壳俯冲回地幔时,把这些沉积物也带入了地下。这些碳在适当的时候又通过火山活动喷发出来,回到大气中。这就是所谓的“碳循环”。碳循环使得大气中的二氧化碳含量基本上保持稳定。而大气中二氧化碳含量的稳定,也就意味着气温的稳定。这种循环帮助地球在长达数十亿年的时间里,把地表温度维持在液态水可以存在的温度范围内。此外,地质活动还会让其他对生命非常重要的矿物和气体循环,比如说硫化氢气体——在地球上光合作用出现以前,为生命提供能量的可能就是这种气体。

超级地球的 “内心世界”

在超级地球上,比起地球来,其地壳活动更加频繁,这意味着那里碳循环更快,气温也更稳定,因此从某种意义上来说,更适宜生命生存。此外,这些行星具有更大的质量,也就意味着有更大的引力,这有助于保持住大气和水。

质量大的好处还可以从我们的近邻火星身上得到反面的启发。火星因为质量太小,结果一方面因引力太弱,大气不断逃逸;另一方面,因内部所含放射性元素不够多,释放出的热量太少,从而导致火星表面的地质活动基本处于停滞状态,排不出足够的气体来补充越来越稀薄的大气,由此陷入一个恶性循环;其实只要它的质量大一些,就可以摆脱这个命运的。

你瞧,利用现有的知识,不出地球,科学家就能推演出遥远行星如许多的细节。我们还想借此说明,虽然我们提倡“想象力比知识更重要”,但这个“想象”绝不是天马行空、脱离基本常识的胡思乱想,而必须是建立在事实和已有知识基础之上的、合理的想象。在这方面,科学家关于超级地球的想象,为我们提供了绝好的范例。


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