水星和金星如何引導我們在系外行星上尋找外星生命

2021-01-20 老胡說科學

靠近太陽的地方躺著一對『噝噝作響的煤塊』。你可能會認為這些奇怪的世界是兩個地獄的圓圈:水星,一個被『曬』黑的平原,金星,一個被純酸雨包圍的悶熱的世界。儘管他們的外表令人恐懼,但他們的內核卻非常熟悉。除了地球和火星,它們構成了太陽系中唯一的巖石行星,與構成太陽系最外層世界的氣態巨行星形成了鮮明的對比。在那些尋找外星生命的人的眼中,這樣的行星被認為是潛在的宜居星球。事實上,如果我們在遠離我們的太陽系中發現了水星或金星,我們甚至可以稱它們為類地行星。

那麼是什麼讓這些看起來像地球的行星變得如此荒涼呢?這是偶然的組成,還是在一個不適宜居住的環境中度過了數百萬年?弄清這些問題的真相,了解巖石行星的多樣性,對天文學來說是至關重要的。如果沒有明確的答案,我們不僅對我們自己太陽系的歷史一無所知,而且在尋找其他地方的生命時也變得狹隘。

問題在於,最內層的行星非常難以『訪問』。迄今為止,只有兩艘太空飛行器成功抵達水星,在眾多的金星著陸器中,沒有一艘存活超過90分鐘。描繪更詳細的圖景將涉及新一代探測器,比如歐洲航天局和日本航空航天局的BepiColombo,它們目前正在前往水星的途中。雖然找到生命跡象的可能性接近於零,但它傳回的數據將幫助我們在其他地方尋找生命跡象。

然而,要想找到關於水星的任何信息,我們首先必須到達那裡。在計劃水星之旅時,最大的問題是太陽。當你的鄰居是一顆比你重600萬倍、引力場強80倍的恆星時,『遊客』往往會被重新定向。

如果一艘宇宙飛船飛越水星的速度太快,它就會被太陽強大的引力困住,並被拖向末日。但即使是直接前往地球也不能保證一定會到達。一旦你火箭指向水星,速度就會太快,無法被水星的引力捕獲。太陽的引力如此之大,直接飛往水星的任務將永遠無法實現。

直到20世紀80年代中期才知道如何進入水星軌道,當時美國宇航局位於加州的噴氣推進實驗室的甄子萬(Chen-Wan Yen)找到了辦法。宇宙飛船必須走特定的路線,繞著地球和金星飛行,在進入軌道之前要多次掠過水星以減速。第一個造訪的探測器是水手10號,它在1974年和1975年只飛過三次。第二個是信使號,它從2011年開始環繞水星運行了四年。英國開放大學的David Rothery說:「我們讓水手10號經過,那裡有很多隕石坑,一切都有點無聊。」

信使號直接體驗到的一件事就是水星變得有多熱。為了保持儀器的溫度不會太高,軌道飛行器不得不周期性地遠離水星,水星表面的溫度高達430攝氏度。由於幾乎沒有任何大氣層來儲存熱量,當太陽下山時,夜晚的溫度會急劇下降,降到-175攝氏度左右。白天和黑夜也被拉長了:水星上從日出到日落平均有176個地球日。

這些極端的溫度意味著水星上幾乎不可能存在生命(按照地球上生命的標準)。在兩極附近有一些沒有陽光的隕石坑,那裡可能有少量的水冰,但它們可能太冷了,不會存在液態水,沒有或只有很少的氧氣。伯恩說:「幾乎每個地方都變得又熱又冷,低表面壓力和缺乏空氣使它更不適宜居住。「

更多的問題來自內部,水星上有強烈的火山活動。整個北部平原地區(佔地表面積的10%以上)都是凝固的熔巖。水星有火山爆發的跡象,並且一種更為劇烈的噴發。在相對較低的溫度下沸騰的元素,即揮發物,會在熔巖中形成氣泡,氣泡在熔巖表面爆裂,向四面八方噴出熱液體巖石。大多數噴發似乎發生在大約38億年前,當時水星內部的大部分仍在形成熱的作用下熔化。

揮發性的本質

從理論上講,水星表面的大部分揮發性元素應該已經蒸發掉了,因為它離太陽很近。德克薩斯州月球與行星研究所的凱薩琳·范德·卡登說:「在我們到達水星之前,我們有一個想法,那就是水星上的揮發性元素應該被耗盡。」「然後我們到達那裡,我們意識到表面有很多這樣的揮發物。」

在一個沒有液態水和很少有氣候的星球上,這些揮發物在塑造水星的表面特徵方面扮演著關鍵角色。除了為它的火山提供動力外,這也是水星最不像地球的原因。這顆微小的行星沒有大氣層,而是有一個外逸層,一層稀薄的懸浮在表面的粒子層。義大利羅馬國家天體物理研究所的瓦萊裡婭·曼加諾說:「與其說它是大氣層,不如說它是行星的緩慢蒸發。」

外逸層主要是氫和氧,還有一些氦、鈉和鉀。它可能是由來自太陽的帶電粒子穿過地球的磁場並撞擊到表面,使微小的塵埃和氣體顆粒飛起而形成的。曼加諾說:「它不斷地被創造出來,並不斷地消失在太空中。」

你沒看錯,水星在慢慢縮小。這個過程也不只是由蒸發造成的。當它熔化的核心開始冷卻,行星開始凝固,導致它的表面收縮。地表的懸崖長可達1000公裡,高可達3公裡,這表明,自地殼形成以來,它的直徑已經縮小了幾公裡,同時破壞了地貌。由於水星的表面是一個殼層而不是幾個構造板塊,這些懸崖可能不會以其他方式形成。

但是儘管經歷了數百萬年的冷卻,一些核心仍然是液態的。它佔據水星半徑的85%,遠遠超過我們所知的任何其他行星。只要在地殼上挖幾百公裡,你就會碰到富含鐵水的地核。在地球上,你必須挖近3000公裡才能到達地核的外緣。

這種覆蓋在巨大內核上的薄層巖石,再加上意想不到的揮揮物,使一些研究人員得出結論,水星可能是在離太陽更遠的地方形成的,然後在向內遷移的過程中撞上了另一顆更大的原行星,剝離了其巖石外層。它可能會成為年輕的地球或年輕的金星,並在這個過程中失去巖石,但不會失去揮發物。如果沒有這顆撞了就跑的行星,水星可能會是一顆更大的行星,而且在結構上更接近地球。

行星科學家們仍然對信使號所揭示的奧秘感到不解。這就是BepiColombo的用武之地,希望它能回答其中一些問題。BepiColombo由兩個軌道飛行器組成,當它們到達水星時將會分離,並提供我們所擁有的關於這個奇怪的小世界最全面的全球視野。它於2018年發射,但由於安全進入軌道所必需的複雜路徑,它要到2025年底才能到達。

與此同時,金星最近一直不受歡迎。紐約布法羅大學的特雷西·格雷格說:「金星在某種程度上是排行中間的孩子。」1962年以來的27次成功訪問中,只有5次是在1990年以後。這意味著我們對金星的知識甚至沒有水星的新。並不是說金星特別難到達,而是即使到了那裡,也很難了解它。格雷格說:「蘇聯著陸器在表面停留了一個小時到一個半小時,實際上。」地表溫度在470°C左右,沉重的大氣層產生的壓碎壓力是地球海平面的90倍。

金星的不適宜居住的環境與水星有著非常不同的原因。葡萄牙天體物理與空間科學研究所的佩德羅馬查多說:「通常人們認為金星之所以如此高溫是因為它比地球離太陽更近,但事實並非如此。」它的雲反射了大約70%來自太陽的輻射。相反,金星高溫是由於失控的溫室效應——金星厚厚的二氧化碳大氣層將熱量困在表面附近。那厚厚的』霧霾『,令人費解地比地球自轉速度快60倍,這意味著熱量分布在全球各地,而不是在晚上輻射到寒冷的太空中。

大氣層也使金星表面不受軌道飛行器的影響,所以我們擁有金星雲層下面的情況的數據非常有限。我們不知道金星是由什麼構成的,我們不知道它是否還在構造活動,我們不知道隕石坑的速度是多少,我們不知道它的大氣為什麼移動得這麼快。

金星是一個神秘的地方。從雷達數據中,我們可以看到它似乎有火山地貌:由熔巖雕刻的通道,火山巖平原和超過1600座主要火山——比太陽系的任何其他地方都多,儘管沒有證據表明它們現在是活躍的。它也是太陽系中最長的通道的所在地,曾經有近7000公裡的熔巖從這裡流過。但是沒有人知道熔巖從哪裡來,也沒有人知道它在形成』海峽『之後去了哪裡。我們沒有看到這些通道盡頭有一大堆熔巖。我們在這些通道的起點看不到火山山或火山口,金星上的這些通道沒有源,但它們就在那裡。」

也有一些奇怪的明亮地帶,被稱為特塞拉亞,那裡往往充滿了長長的山脊和凹槽,這是地殼由於構造活動而移動時形成的。有跡象表明,這些地區可能富含二氧化矽,就像地球上的大陸地殼一樣。如果我們要確定特塞拉亞是大陸地殼,這將是一個重大的發現,因為這意味著那裡的地質和化學情況比現在複雜得多。」

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