金星：宜居行星的最終形態(tài)?

金星和地球的起點(diǎn)基本相同，但在某一時(shí)刻，它們開(kāi)始朝不同的方向演化。地球隨后有了海洋和大氣。與此同時(shí)，金星的表面變成了熾熱的地獄，完全不適合生命居住。金星代表了所有宜居行星的最終狀態(tài)，還是它只是同類行星的眾多可能結(jié)局之一？這個(gè)問(wèn)題的答案，將幫我們了解太陽(yáng)系外行星是否存在生命。

達(dá)比·戴爾

（M. Darby Dyar）

蘇珊娜·E·斯姆雷卡爾

（Suzanne E. Smrekar）

斯蒂芬·R·凱恩

（Stephen R. Kane）

1982年，麻省理工學(xué)院行星科學(xué)系的所有人都在談?wù)撘患拢篘ASA的最新旗艦項(xiàng)目金星軌道成像雷達(dá)（VOIR）被取消了。本文作者戴爾在那個(gè)時(shí)候還是個(gè)研究生（另外兩人還在讀大學(xué)和小學(xué))。研究生們?cè)谧呃壤锓怕暣罂蓿Y深教師們搖頭嘆氣。新當(dāng)選的里根政府要全面削減太空探索預(yù)算，VOIR就是犧牲品之一。

但不久之后，科學(xué)家提出一個(gè)利用庫(kù)存硬件制造廉價(jià)（6.8億美元）航天器的方案，奇跡般地拯救了這個(gè)任務(wù)。1989年，擔(dān)負(fù)金星勘察任務(wù)的“麥哲倫”號(hào)軌道飛行器發(fā)射升空，并于1990年進(jìn)入金星軌道。在接下來(lái)的5年里，這個(gè)探測(cè)器不斷將金星的各種數(shù)據(jù)傳回地球，包括幾乎覆蓋整顆金星的雷達(dá)圖像、重力數(shù)據(jù)和地形圖等。在“麥哲倫”號(hào)之前，蘇聯(lián)和美國(guó)曾有過(guò)一連串的金星探測(cè)任務(wù)，而隨著“麥哲倫”號(hào)在1994年墜向金星表面，NASA對(duì)金星探測(cè)器的支持也停止了。從那時(shí)起，科學(xué)家提出了超過(guò)25個(gè)重返金星的探測(cè)計(jì)劃，盡管有一些計(jì)劃得到評(píng)審委員會(huì)的高度認(rèn)可，但沒(méi)有一個(gè)得到批準(zhǔn)。“麥哲倫”號(hào)在幾十年前收集的數(shù)據(jù)至今仍是金星地球科學(xué)的基礎(chǔ)。

但行星科學(xué)家從未放棄，而且即便條件不利，我們也成功揭開(kāi)了這個(gè)行星的許多秘密。自“麥哲倫”號(hào)以來(lái)，歐洲和日本的航天機(jī)構(gòu)都曾成功執(zhí)行金星探測(cè)任務(wù)，讓我們對(duì)金星大氣有了突破性的認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，科學(xué)家通過(guò)重新分析“麥哲倫”號(hào)的數(shù)據(jù)，一直在改寫關(guān)于金星的教科書內(nèi)容。我們現(xiàn)在知道，金星上火山活動(dòng)頻繁，甚至還發(fā)現(xiàn)了板塊構(gòu)造活動(dòng)開(kāi)始出現(xiàn)的跡象，科學(xué)家認(rèn)為這對(duì)行星的宜居性至關(guān)重要。新的理論模型也表明，一直到金星演化歷史的晚期，其表面都可能存在液態(tài)水，這意味著金星適合生命生存的時(shí)間可能遠(yuǎn)比我們?cè)?jīng)認(rèn)為的長(zhǎng)。

在此期間，天文學(xué)領(lǐng)域還有另一個(gè)驚人的進(jìn)展：我們發(fā)現(xiàn)了成千上萬(wàn)個(gè)其他太陽(yáng)系中的行星，其中有許多都與金星差不多——無(wú)論是大小還是到恒星的距離。因此，對(duì)這位鄰居的了解可以幫助我們更好地認(rèn)識(shí)那些遙遠(yuǎn)的、不可接近的世界。特別是，如果我們能查明金星是否也曾具備承載生命的條件，又是在何時(shí)具備這樣的條件，我們就能更準(zhǔn)確地判斷那些類似金星的行星存在生命的可能性有多大。

地球與金星不同的結(jié)局

到目前為止，大部分系外行星都是天文學(xué)家通過(guò)凌星法發(fā)現(xiàn)的，也就是觀察行星從恒星前面穿過(guò)時(shí)恒星亮度的波動(dòng)。使用這種技術(shù)，我們可以測(cè)量一個(gè)遙遠(yuǎn)行星的大小，但是大小能告訴我們的信息很有限。如果一個(gè)外星觀測(cè)者使用凌星法觀測(cè)我們的太陽(yáng)系，金星和地球看起來(lái)幾乎完全一樣。然而，現(xiàn)在的金星不可能存在生命，而地球在過(guò)去的40億年中一直都是生命的樂(lè)園。

對(duì)于大小相似的行星，我們可以測(cè)量它們與恒星之間的距離，來(lái)進(jìn)一步對(duì)它們分類。“宜居帶”指的是恒星周圍的一片區(qū)域，那里的巖質(zhì)行星表面可能存在液態(tài)水。顯然，地球就在這個(gè)區(qū)域內(nèi)。我們認(rèn)為，金星也曾長(zhǎng)時(shí)間處于這個(gè)區(qū)域內(nèi)。然而，由于太陽(yáng)亮度隨年齡增長(zhǎng)而增強(qiáng)，宜居帶的邊界也隨時(shí)間向外移動(dòng)。金星現(xiàn)在已經(jīng)處在這個(gè)范圍之外，位于我們稱之為“金星帶”的地方。這個(gè)區(qū)域里的行星表面非常熱，可能已經(jīng)陷入了失控的大氣溫室效應(yīng)，導(dǎo)致海洋完全蒸發(fā)掉了。

金星和地球是在非常相似的條件下形成的，包括那些讓地球產(chǎn)生了海洋的條件。彗星撞擊可能給這兩個(gè)行星都帶來(lái)了冰。太陽(yáng)風(fēng)（從太陽(yáng)噴涌而出的帶電粒子）很可能在它們表面播下了一層薄薄的氫離子。當(dāng)金星和地球還是兩顆原行星，在環(huán)繞太陽(yáng)的原始?jí)m埃盤中成長(zhǎng)時(shí)，它們都收集了氫和其他揮發(fā)物（很容易蒸發(fā)的化學(xué)物質(zhì)）。對(duì)早期金星的模擬表明，金星表面很早就有了液態(tài)水，可能比地球還早，而且這些水可能直到大約10億年前都一直存在。

然而，金星現(xiàn)在卻完全不適宜生命存在。到底發(fā)生了什么？金星代表了所有宜居行星的最終狀態(tài)，還是它只是同類行星的眾多可能結(jié)局之一？我們想重返金星，為這些重要問(wèn)題尋找答案。

透過(guò)窗口觀察金星

我們對(duì)金星的了解在一定程度上受限于濃密的有毒大氣，要穿透這層大氣觀察金星是極為困難的。在高空，硫酸云籠罩著金星全球。在地面上，氣壓與地球海洋900米深處的水壓差不多。由于金星大氣的密度太大，其主要成分二氧化碳處于超臨界流體狀態(tài)，具有介于氣體和液體之間的性質(zhì)。

科學(xué)家認(rèn)為，金星大氣曾經(jīng)與地球很相似。但與我們的行星不同，金星現(xiàn)在缺少一個(gè)排斥太陽(yáng)風(fēng)的磁場(chǎng)。在漫長(zhǎng)的時(shí)間里，太陽(yáng)風(fēng)不斷將水分解為氫離子和氧離子，并把它們帶往太空，從而讓金星失去了水。從金星內(nèi)部不斷逸出的二氧化碳和其他氣體沒(méi)辦法溶解到水里，就會(huì)聚集在大氣中。由于大氣的溫室效應(yīng)，金星的地表溫度比地球高約400℃以上，熱到足以讓巖石發(fā)光。

我們從金星表面得到的所有數(shù)據(jù)都來(lái)自蘇聯(lián)的4個(gè)金星登陸探測(cè)器，它們是在20世紀(jì)70年代和80年代登上金星的。這些探測(cè)器在環(huán)境嚴(yán)酷的金星表面只存活了幾分鐘，但在那短暫的時(shí)間內(nèi)，它們收集并發(fā)回了金星表面化學(xué)成分的粗略測(cè)量結(jié)果。除了這些資料，我們要獲取有關(guān)金星表面礦物的知識(shí)就只有兩個(gè)途徑，一個(gè)是“麥哲倫”號(hào)的雷達(dá)測(cè)量，而對(duì)測(cè)量結(jié)果的解釋目前仍存在爭(zhēng)議；另一個(gè)是分析金星條件下巖石和大氣氣體之間的可能化學(xué)反應(yīng)，現(xiàn)有的知識(shí)也相當(dāng)有限。

不過(guò)，研究人員最近發(fā)現(xiàn)，在金星軌道上，通過(guò)幾個(gè)電磁波“窗口”去觀察金星，就有可能繪制出這顆行星的礦物分布圖。波長(zhǎng)在“窗口”范圍內(nèi)的電磁波不會(huì)被大氣中的二氧化碳吸收，而且幸運(yùn)的是，要識(shí)別橄欖石和輝石這兩種典型的行星礦物，要用到的特征波段恰好也在“窗口”范圍內(nèi)。這為我們確定金星的基本成分帶來(lái)了希望。2006年-2014年，歐洲的“金星快車”飛船繞金星運(yùn)行，通過(guò)一個(gè)電磁波“窗口”，科學(xué)家繪制出了第一張金星表面熱輻射圖，覆蓋了金星南半球的絕大部分地區(qū)。通過(guò)分析這張圖上的光譜特征，我們可以鑒別金星地面上的礦物。

熱輻射圖還標(biāo)識(shí)出了許多熱點(diǎn)，這些區(qū)域散發(fā)出如此多的熱量，最有可能的解釋就是近期有過(guò)火山活動(dòng)。這是一個(gè)令人興奮的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@說(shuō)明，不同于寂靜已久的月球和只有孤立火山活動(dòng)的火星，金星現(xiàn)在仍很活躍——而且這一發(fā)現(xiàn)與行星是否適合生命存在密切相關(guān)。

金星上的板塊活動(dòng)

在地球上，火山活動(dòng)通常與板塊構(gòu)造聯(lián)系在一起。板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是大塊地殼的移動(dòng)和滑動(dòng)，這一地質(zhì)活動(dòng)創(chuàng)造出了地球的大部分地質(zhì)特征，也導(dǎo)致了周期大約為1億年的長(zhǎng)期氣候循環(huán)，讓地球上的生命得以誕生。最初的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在地球的洋中脊形成新的地殼，還會(huì)讓地殼沉入地幔，這兩個(gè)過(guò)程使我們的星球失去內(nèi)部的熱量，冷卻到生命可以產(chǎn)生的程度。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也會(huì)把困在地球深處的水、二氧化碳和二氧化硫等揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)釋放到大氣中，而當(dāng)一個(gè)板塊滑到其他板塊下面時(shí)，又將這些揮發(fā)物帶回到地幔中。

如果沒(méi)有火山活動(dòng)，就沒(méi)有多少地表水，也就失去了孕育生命的搖籃。揮發(fā)性物質(zhì)的循環(huán)有助于維持地球的大氣層，這對(duì)生命的出現(xiàn)同樣至關(guān)重要。大陸提供了一個(gè)高出海平面的穩(wěn)定平臺(tái)，讓海洋生物可以進(jìn)化為陸地生物，而陸地本身也是板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物。總而言之，了解金星是否有板塊構(gòu)造是非常關(guān)鍵的——如果有，為什么會(huì)出現(xiàn)板塊運(yùn)動(dòng)？如果沒(méi)有，又出于什么原因沒(méi)有出現(xiàn)？

在地球上，有限的數(shù)據(jù)表明，板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)早在40億年前就開(kāi)始了，此外幾乎沒(méi)有留下什么記錄。我們其實(shí)并不知道行星是如何從一個(gè)玄武巖覆蓋（可能已經(jīng)有了海洋）的世界，轉(zhuǎn)變?yōu)橛啥鄠€(gè)運(yùn)動(dòng)板塊構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。一個(gè)主流假說(shuō)認(rèn)為，來(lái)自地球內(nèi)部深處的大團(tuán)物質(zhì)噴發(fā)到地表，導(dǎo)致了俯沖作用——一個(gè)板塊滑到另一個(gè)板塊之下。地質(zhì)學(xué)家稱這些熾熱的物質(zhì)為地幔柱，它軟化了巖石圈（包括地殼和上地幔）并向上推擠，致使地球表面裂開(kāi)。來(lái)自熱柱頭的壓力會(huì)導(dǎo)致劇烈的火山活動(dòng)，就像我們?cè)诘厍蚝徒鹦巧嫌^察到的那樣。火山噴發(fā)出的物質(zhì)讓破裂的巖石圈承受了更多重量，使其下沉，促成了俯沖，讓一層巖石圈滑動(dòng)到另一層巖石圈之下。如果這種過(guò)程頻繁發(fā)生，俯沖板塊連接起來(lái)，板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)就開(kāi)始了。

這一系列過(guò)程可能正發(fā)生在今天的金星上。金星的巖石圈現(xiàn)在又熱又薄，就像板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)的地球一樣。而且有一些數(shù)據(jù)顯示，金星上的某些地質(zhì)特征與地球上的俯沖帶有驚人的相似之處。阿爾忒彌斯冕狀物（Artemis Corona）就是一個(gè)例子，它是金星赤道附近的一個(gè)圓形構(gòu)造，規(guī)模和形狀都與阿拉斯加海岸附近的阿留申海溝非常類似。科學(xué)家推斷這些金星地質(zhì)特征代表了熱點(diǎn)，來(lái)自地幔的熱柱在這里上升到金星表面，把地殼撕裂。

此外，最近的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬都表明，這些地幔柱正在它們撕破了頂層地殼的地方促使俯沖出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)還解釋了為什么俯沖只發(fā)生在圓形構(gòu)造的部分區(qū)域：當(dāng)脆弱的巖石圈在中間裂開(kāi)時(shí)，它會(huì)分裂成幾個(gè)碎片，就像用鉛筆戳紙時(shí)，紙張撕裂成幾塊不同的楔形一樣。隨著巖石圈的下沉，它會(huì)繼續(xù)撕裂并形成更多碎片。因此，地幔柱之上的巖石圈不會(huì)整塊下沉，只會(huì)分裂下沉和俯沖。如果這些碎片連接起來(lái)，我們就會(huì)看到金星啟動(dòng)了自己的板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

由于拍到了這些地質(zhì)特征的金星照片分辨率太低，我們還不能確定自己看到了什么。但至少目前看來(lái)，金星上的板塊構(gòu)造正處于早期發(fā)展階段。“麥哲倫”號(hào)的觀測(cè)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)連起來(lái)的板塊，我們只看到了一些俯沖開(kāi)始的孤立地點(diǎn)，都出現(xiàn)在地幔柱頂上的圓形區(qū)域周圍。這就引出了兩個(gè)問(wèn)題：為什么板塊構(gòu)造沒(méi)有更快地出現(xiàn)？現(xiàn)在會(huì)怎樣發(fā)展下去？當(dāng)金星隨時(shí)間進(jìn)一步冷卻，現(xiàn)在裂開(kāi)的斷層可能會(huì)保持下去，讓金星像地球一樣向板塊構(gòu)造轉(zhuǎn)變。如果我們能看到金星出現(xiàn)了板塊構(gòu)造活動(dòng)，那么這種過(guò)程及其帶來(lái)的大氣穩(wěn)定效果，就可能在太陽(yáng)系外行星中普遍存在，使行星表面的環(huán)境變得宜居。

重返金星

我們現(xiàn)在有非常充分的理由啟動(dòng)一個(gè)新項(xiàng)目，去探索一直被忽略的金星。有了高分辨率的全球成像和光譜觀測(cè)，我們就能回答有關(guān)金星火山活動(dòng)和可能存在的板塊構(gòu)造的誘人問(wèn)題。這樣的過(guò)程現(xiàn)在是否真的出現(xiàn)了？金星地表活動(dòng)與內(nèi)部活動(dòng)之間有什么聯(lián)系？金星的環(huán)境條件，例如溫度，對(duì)構(gòu)造活動(dòng)有怎樣的影響？還有一些我們看到的地表特征，例如科學(xué)家稱之為鑲嵌地塊（Tesserae）的褶皺，是液態(tài)水留下的痕跡嗎？

2019年，NASA將為“發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目”（Discovery mission）征集下一組方案，這個(gè)項(xiàng)目資助的是最小一級(jí)的空間探測(cè)器。本文作者斯姆雷卡爾和戴爾領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)名為VERITAS（金星發(fā)射率、射電科學(xué)、干涉合成孔徑雷達(dá)、地形與光譜學(xué)）的計(jì)劃，該計(jì)劃將以前所未有的精度測(cè)繪金星表面。如果實(shí)施這個(gè)計(jì)劃，探測(cè)器將攜帶包括照相機(jī)和光譜儀在內(nèi)的多種儀器，把金星地形測(cè)量的分辨率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并繪制前所未有的礦物成分地圖。其他研究者也正在籌劃金星探測(cè)方案，我們應(yīng)該可以在2021年看到最終的結(jié)果。

從“麥哲倫”號(hào)抵達(dá)金星到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去了近30年，發(fā)射“麥哲倫”號(hào)的那一代科學(xué)家已經(jīng)老去、退休。一個(gè)新的金星任務(wù)能讓研究者將火炬?zhèn)鬟f給新一代，后者能夠帶我們更進(jìn)一步地了解為什么我們的姐妹行星會(huì)變得與地球如此不同。也許，我們甚至能夠發(fā)現(xiàn)哪些條件才是生命誕生必不可少的。

（Scientific American中文版《環(huán)球科學(xué)》授權(quán)南方周末發(fā)表，楊安翻譯，黃金水審校）