新研究发现,板块构造可能难以在外行星上维持,无法维持生命

趣味说   2017-09-06 21:37

新研究发现,板块构造可能难以在外行星上维持,无法维持生命

我们的星球一直处于不断的变化之中。构造板块--分裂地壳的大块岩石,使它看起来像一个破裂的蛋壳,构造板块断断续续,不断重塑我们的星球,并可能培育出生命。

这些板块相互挤压,建立山脉。它们逐渐降低,产生了存在数亿年的海洋。它们彼此摩擦,触发地震。它们在一个叫做板块俯冲的过程中互相滑动,深入地球的内部,造成火山活动。地球不仅是有生气的,而且是生命的容器。因为它是唯一已知的承载板块构造和生命的行星,许多科学家认为这两者可能是相关的。事实上,一些研究者认为,有能力帮助调节数十亿年行星温度的板块,是生命的重要组成部分。

这种联系提出了诱人的可能性,如果科学家们能够找到的系外行星能产生地震,他们也许能够找到超越我们的地球的生命。因此,亚利桑那州立大学的天文学家开曼·恩特伯恩(Cayman Unterborn)着手确定遥远的外行星是否有板块构造的可能性。

他和他的同事发现的系外行星大部分可能无法维持板块构造很长时间。他们的结果仍然不确定,因为科学家们不完全了解板块构造如何在地球上开始(更别提在其他行星的发展方式),但他们确实指出,即使这个过程开始,也可能不会持续。这意味着地球不仅是已知在太阳系中移动板块的唯一行星(尽管一些最近的证据表明水星可能也存在板块移动),它也可能是银河系中数量很少的这样的行星之一。尽管如此,天文学家们怀疑,多达400亿个可能居住的地球大小行星遍布星系。乌特伯恩(Unterborn)的研究表明即使只有三分之一的这些行星可以维持板块构造,大约130亿行星仍有可能是适合居住的行星!

新研究发现,板块构造可能难以在外行星上维持,无法维持生命

但板块构造对生命而言有多重要?可以从我们自己的星球的历史中找到提示。大约25亿年前,太阳变冷了,地球的液态海洋应该被冻结在雪球般的状态,只是它们没有变成这个状态。科学家们认为,板块构造作为一个全球温控器,可能是我们的救世主,通过创造将二氧化碳喷入大气层的火山,帮助其保留更多的热量。然后,随着太阳变得越来越热,降雨量从大气中清除二氧化碳,板块构造后来将其推到地球的地幔(岩心之上的热岩层)上,将其锁住。正是这个周期,在百万年的时间表里,有助于保持地球的温度足够稳定,以支持生命。

然而,地球的例子并不能证明板块构造是生命的必要条件。毕竟,行星可以没有板块构造的地质活动。看看火星,它拥有太阳系最大的活火山。不过,这座火山不再喷发。事实上,大多数曾经有地质活动的太阳系行星(甚至矮行星和卫星)现在都是静止的。没有板块构造,火山活动迅速下降(有一些显著的非构造异常,如木星木卫一和土星的土卫二)。因此,火星的众多但却熄灭的火山没有排放二氧化碳到大气中的能力,这让火星现今非常寒冷。这样的例子表明板块构造,特别是持久的板块构造,是调节行星温度的最佳方法,因此是生命中的有益成分。

新研究发现,板块构造可能难以在外行星上维持,无法维持生命

最新的研究似乎与先前的调查系外行星是否存在板块运动相矛盾。2007年哈佛大学的行星科学家戴安娜·巴伦西亚(Diana Valencia)得出结论,超级地球(比地球更大的岩石行星)很可能承载板块构造,这实际上是不可避免的。因为比地球更大的行星会从初始形成中保留更多的内部热量,因为热量驱动板块构造(通过地幔中下沉和上升的岩石的输送带),板块活动应该在这样的行星上时间更长。问题在于巴伦西亚的研究(后来的许多研究)只分析了一个参数:行星的大小。根据地球的构成,乌特伯恩(Unterborn)的研究是第一个解决板块构造的研究。

为了进行这个分析,乌特伯恩(Unterborn)和他的同事需要确定一个外行星的化学成分是什么样的。虽然天文学家目前可以在外行星的气氛中破译这些元素,但是呢还没有办法深入到外行星的岩石内部。所以乌特伯恩(Unterborn)和他的团队转向了行星的宿主恒星。因为恒星和它们的行星是由相同的涡旋状尘埃和气体构成的,它们往往是由相同的物质构成的。研究人员研究了近1500颗恒星(包括开普勒太空望远镜观察到的123颗太阳系外的行星轨道),然后用计算机模型发现这些不同组成的岩石对行星内部形成的高温度和压力的反应。

新研究发现,板块构造可能难以在外行星上维持,无法维持生命

一旦他们了解了外行星的地幔和地壳可能是什么样子,就地球化学而言,科学家们能够确定这个外行星的外壳是否足够密集,足以沉入地幔中,正如地球的海洋板块在卡斯卡迪亚俯冲带,是北美长达1000公里的火山链,是一个板块在另一个板块下俯冲而形成的。进行计算涉及严格的建模:随着板块下降期间的压力和温度的升高,板中的原子经历重组,使板块更密集。如果板块比周围的地幔密实,那么板块将继续下沉。如果是这样的话,板块构造可能会持续几十亿年。但如果不是这样,板块停止运转,板块构造就会关闭,危及生命出现的机会。

在可居住性方面,显示出令人沮丧的结果:至少有三分之二的模拟行星构成一个太沉重的地壳。乌特伯恩(Unterborn)认为:如果俯冲发生,板块下降,它将会突然反弹回来。如果这些板块正在移动,他们可能彼此碰撞,向上折叠,形成像喜马拉雅山一样高的山脉,但是一个板块绝不会俯冲下面的另一个板块去除多余的二氧化碳或形成了将更多的将二氧化碳喷入大气层的火山。因此,地球将无法调节自己的温度,并很容易升级成一个类似冰雪或蒸气的世界。

结果强调,行星的可居住性不能仅由金发区定义,金发区指在一个行星系统的轨道离其恒星的距离,使它既不太冷也不太热。密度也不能决定什么事“类地行星”。乌特伯恩(Unterborn)说:“密度不能决定行星的命运。这个行星需要一个地球质量,需要一个地球半径,并且在其恒星的可居住区。”回溯到25亿年前:除非考虑到地质,否则地球不会被认为是外星人可居住的天体。

新研究发现,板块构造可能难以在外行星上维持,无法维持生命

宾夕法尼亚州立大学的地质学家布拉德福·福利(Bradford Foley)认同大多数岩石的外行星可能不会承载板块构造,但他认为,更精确的细节,例如这些行星的确切百分比,还不能确定。他说:“我会把大部分的东西放在一边,因为有些不确定因素会随着更多的研究结果而改变。”

布拉德福·福利(Bradford Foley)指出,其中一个不确定因素是,地质学家们仍在争论板块构造如何在地球上开始的,以及现今扔在继续推动板块构造的原因。问题是,即使一块板足够密实地沉入地幔中,行星的岩石圈首先要破裂。但是,引起岩石圈破裂的原因在这个领域引起了激烈的争论。乌特伯恩(Unterborn)通过寻找可能能够经历数十亿年的板块构造的行星来回避这种问题。但是假设板块构造神奇地开始了,即使是适当的元素混合,也不能保证板块移动。然而,乌特伯恩(Unterborn)认为,它确实最大限度地增加了找到板块构造和生命的机会。

乌特伯恩(Unterborn)将这项研究视为新领域的一个进步,他和他的同事向NASA天体生物研究所提交了一项建议,以进一步评估不同成分的物质如何在高压和高温下反应。而乌特伯恩(Unterborn)的研究是基于理论计算,新的小组想在实验室里合成这些岩石,并将它们物理化处理。这将使他们能够绘制出更精确的图像,甚至可以探索如何改变组成可能会破坏岩石圈的另一个重要的启动板块构造的标准。

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