板块运动对地球生命至关重要，但我们并不知道它是否会在其他星球发生——现在，谜底即将揭晓。
板块运动即地球不断地吸收和改造岩石外壳板块的进程。人们认为，这与地球的宜居性有着千丝万缕的联系，甚至可能是生命产生的重要先决条件。如果没有它，我们的湖泊和河流可能会冻结或蒸发，海洋可能会缺乏营养物质，地球的气候或许早就变得不适宜居住，生命的延续会很艰难。
不过，这只是我们的想法。我们很难知道板块运动是否真的对地球的生态环境至关重要，因为没有什么可以比较的对象。据我们所知，没有其他行星出现板块运动现象。在我们太阳系的四颗岩石行星中，地球是唯一以这种方式回收地壳成分的行星。我们也没有在太阳系以外发现板块运动的明确迹象。
一直以来，事实都是如此。但现在，在詹姆斯 · 韦布空间望远镜（JWST）的帮助下，科学家开始探索太阳系以外的岩石星球的地质环境。寻找板块构造是一个巨大的挑战。但如果我们成功了，这可能是弄清楚地球上生命如何开始，以及在茫茫宇宙中的何处寻找生命的关键。
牛津大学的托拜厄斯 · 迈耶（Tobias Meier）说，虽然另一个世界上的生命或许可以在没有板块构造的情况下生存，但“我们确实知道，在地球上，它肯定是使生命更有可能延续和进化的重要原因”。如果地球是一艘宇宙飞船，板块运动就是它的生命支持系统。它集回收功能和恒温功能于一体。板块运动告诉我们，地球的岩石外壳是如何断裂成碎片的。板块在黏稠的糖蜜状地幔上漂移。在地幔热物质向上流动以及板块撕裂的地区，熔岩沿着裂谷从火山喷出，形成新的陆地。当板块碰撞在一起时，一个板块最终会滑到另一个板块之下，将冷而致密的物质推入地幔。
海洋生物依赖陆地侵蚀带来的营养物质，而陆地生物则依赖海洋的肥沃程度。但是，一些科学家认为，如果没有板块运动构造大陆地壳并不断推高新的山脉，随着土地变得越来越平坦，侵蚀会减缓，导致海洋生物缺乏关键的营养物质。
再者，如果没有板块运动，我们可能根本就没有液态水。它控制着地球的“自然恒温器”，即碳酸盐-硅酸盐循环，该循环在数百万年的时间里起着控制地球温度的作用。在这个循环中，大气中的二氧化碳与水和新暴露的岩石发生反应，最终通过板块运动被吞噬到地球的地幔中，然后被火山再次喷出。它对于调节大气中的二氧化碳含量并调控我们星球的温度至关重要。
碳酸盐-硅酸盐循环在历史上一直是地球的救星。它在之前漫长的岁月里不止一次将地球从气候灾难中拯救出来，比如至少发生过两次的“雪球地球”事件。在这两次事件中，整个世界都冻结了，并在多个温室时期几乎杀死了所有生命。如果人为造成的气候变化最终导致了灾难的发生，那么在数百万年的时间里，正是这种循环使我们的星球得以治愈。
遥远的世界
也许其他更遥远的星球也有类似的生命维持系统——现在，研究系外行星板块运动等地质过程的大门正在打开。例如，在过去的两年里，JWST已经开始揭示少数岩石星球前所未有的细节。
实际上，我们可能还需要很长时间才能发现另一个行星的板块运动，就像我们离探测到外星生命的明确特征还有很长的路要走一样。但多亏了新的数据和技术，科学家正在迈出第一步，从而进入一个全新的领域：系外行星地质学。
如果我们想找到板块构造——或者某个奇特的外星球的类似构造——我们就必须把目光投向太阳系之外。第一颗显示其构造特征的星球是一颗名为LHS 3844 b的行星，它围绕着大约49光年外的一颗小而暗淡的恒星运行。“我真的很兴奋。”马萨诸塞州哈佛-史密森天体物理中心的塞巴斯蒂安 · 齐巴（Sebastian Zieba）说。他正在领导一项研究这颗系外行星岩石表面情况的工作。“这真的很酷，因为这些行星离我们太远了。”
LHS 3844 b于2018年被发现，是一个比地球大一点的岩石星球。它与恒星的距离如此之近，以至于它的一年只持续12个小时。这种近日轨道也导致这颗行星被潮汐锁定：一个半球总是面向恒星，而另一个半球永远晒不到恒星光，导致白天和夜晚的温差约为770℃。很难想象还有比这更奇怪的地方。但迈耶说，这样的行星在我们的银河系中似乎很常见。与地球这种围绕类太阳恒星运行的常规行星不同，这些“超短周期”的系外行星具有极快的轨道参数。它们是JWST的理想目标，因为它们的相对亮度很高，并且频繁地从恒星前方经过。
迈耶说：“所以，我真的很想弄清楚，它们可能有板块运动吗？或者它们可能处于什么样的板块构造状态？”2021年，他和他的团队使用基于观测的计算机模型表明，LHS 3844 b可能会出现一种由行星昼夜两侧巨大的温度差异驱动的新型外星构造：半球板块构造。
迈耶说：“我们指的是一侧的热物质上升、另一侧的冷物质沉入地幔的过程。”他说，半球构造可能在其他潮汐锁定的世界也很普遍。迈耶的团队发现了另一颗可以通过类似方式回收地壳的行星。虽然LHS 3844 b的构造比地球更不稳定，但碎片状并且可移动的地壳至少也算是一种板块运动，比金星、水星或火星的构造更为明显。
火山迹象
我们还不能直接在其他星球上探测到板块构造，但我们仍然可以使用间接的线索寻找它们。一个可能的线索是火山活动的特殊迹象。行星的构造机制决定了物质如何在其内部移动，这可能会对火山活动产生巨大影响。例如，在地球上，火山往往沿着板块边界爆发，很少在板块内爆发。因此，虽然火山活动本身并不是构造的确凿证据，但火山活动的某些迹象可能会揭露一些信息。如果LHS 3844 b确实存在半球构造，迈耶预测其一侧的火山活动将远远超过另一侧。
一般来说，我们通过筛选恒星的光线来了解系外行星。一种方法是观察一颗行星从其恒星后面经过，导致恒星明显变暗，因为行星温暖的光芒被阻挡了。通过隔离这种光线，科学家可以测量行星的温度，并寻找其表面可能暗示存在火山活动的迹象。
然而，有专家警告说：“我们需要谈论的是JWST的精度极限。我们很难进行这些测量。”他和其他研究人员仍在尝试探测，但与此同时，还有其他线索需要追踪。这是因为火山不仅会释放热量，它们还会向行星的大气层中喷出气体——这可能被我们探测到。
我们首次观测到的外星火山气体可能来自凉爽的“系外地球”LP 791-18 d。加拿大蒙特利尔大学的比约恩 · 本内克（Bjōrn Benneke）正在领导一个JWST项目，以确定这颗行星是否笼罩在富含二氧化碳的火山大气中。本内克说，LP 791-18 d陷入了其恒星和一颗巨大的邻近行星之间的引力拉锯战中，由此产生的潮汐力应该会从内到外加热LP 791-18 d，从而导致强烈的火山活动。
有了合适的工具，科学家就可以开始寻找岩石星球的大气中特定火山气体的化学指纹。加州大学河滨分校的科尔比 · 奥斯特伯格（Colby Ostberg）和他的同事研究了是否有可能使用像宜居世界天文台（HWO）这样的望远镜探测类地系外行星上火山活动的大气特征。宜居世界天文台是美国宇航局初步计划在21世纪40年代发射的JWST的拟定继任者。
需要注意的是，研究火山活动最有希望的潜在特征似乎是二氧化硫，这是火山即将爆发的直接证据。但研究人员发现，它的信号会被大气中的臭氧气体淹没。然而，随着时间的推移，二氧化硫会侵蚀这种气体，因此臭氧水平的波动可能表明火山活动存在。
我们也有可能探测到火山灰，这会暂时抹去其他大气特征。奥斯特伯格说：“如果你在一年内进行了一系列观测，那么你可能会推断出火山活动是否存在。”
基本事实
我们还可以通过另一种方式了解一颗行星的构造机制：弄清楚它是由什么组成的。迈耶说，JWST否定了部分行星大气层的存在，包括颇有前景的LHS 3844 b，“很多人都很失望”。“但我们可以把这看作一个机会。如果这些行星没有大气层，这基本上给了我们一种直接探测表面的方法。”
由于岩石可以告诉我们遥远星球的历史，研究人员已经在试图确定哪种岩石主导着这些无空气行星的表面情况。LHS 3844 b特别令人感兴趣，因为它非常热，但还不足以熔化——所以它的热发光成分在岩石星球中是最容易被发现的。这种发光的成分可以告诉研究人员那里存在什么样的岩石，甚至暗示其组成物质。
值得注意的是，这甚至可能让我们初步了解LHS 3844 b的地形轮廓。齐巴现在正在分析JWST的数据，以确定这颗行星的表面是否光滑，这可以表明其表面情况是火山喷发造成的，还是由易碎的碎石状风化层组成的。当岩石体长时间暴露在太空中并受到撞击和太阳风的冲击时，就会形成风化层。如果LHS 3844 b的表面是由风化层组成的，这可以强有力地说明其表面十分古老——但对板块运动来说，这不是一个好的迹象。
这样的研究是我们进入全新的系外行星地质学领域的第一步。我们正在努力了解岩石外星球的内部和表面。
但如果我们要了解为什么地球适合居住，就需要在其他地方寻找板块运动。这似乎是造就我们星球上宜居性气候的关键部分，在其他地方同样也可能很重要。但我们不能确定，除非有更多的东西可供研究。奥斯特伯格说：“我们可能不会仅仅通过研究地球了解地球构造的起源。我认为这就是系外行星真正有价值的原因。”
寻找另一颗具有板块运动的行星将是一项与寻找外星生命难度相当的挑战。本内克说，这甚至可能更难，因为地质过程的特征往往比生命的特征更模糊。在这两种情境中，我们都在寻找地球上尚且无法完全解释的现象的外星实例。尽管进行了数十年的研究，但生命的起源和板块运动的起源都不能说是具有确定结论的科学。发现后者可能有助于我们理解前者。
据我们所知，地球构造板块的缓慢波动可能与生长在其上的脆弱生物表层一样特殊，可以说独一无二。当然也可能不是。就像寻找外星生命一样，寻找具有板块构造的真正类地行星将是一项漫长的任务。这将是未来几代望远镜的任务，也许也是未来几代研究人员的任务。但这是我们即将开始的旅程。
资料来源 New Scientist
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本文作者埃莉斯·卡茨（Elise Cutts）是麻省理工学院地球科学硕士、加州理工学院地球生物学学士，现为科学记者，主要报道物理学、数学和基础生物学等跨学科领域