內(nèi)行星之謎

向曉暉

在靠近年輕太陽(yáng)很近的地方，四個(gè)世界（水星、金星、地球、火星）誕生了，其中每一個(gè)都具備承載生命的條件。雖然太陽(yáng)系中有大量地方存在可居住條件，但這四個(gè)故事卻具有驚人的開(kāi)端。

46億年前，太陽(yáng)誕生僅幾百萬(wàn)年后，太陽(yáng)周?chē)](méi)有可見(jiàn)的世界崛起，而只有太陽(yáng)形成后留下的、由塵埃和氣體組成的巨大云團(tuán)。在接下來(lái)的數(shù)千萬(wàn)甚至上億年中，引力將這些殘骸吸引在一起，形成首批行星胚胎。這些胚胎變成最靠近太陽(yáng)的四個(gè)行星世界，這些行星的故事被太陽(yáng)的命運(yùn)主導(dǎo)，其中每一個(gè)的可居住性都增加或減少。今天，被燒焦的水星以極近的距離環(huán)繞無(wú)情的太陽(yáng)。在稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方，稠密的大氣層將高溫的金星裹住。在更遠(yuǎn)的地方，冰凍的火星是一個(gè)荒涼世界。在這四個(gè)世界當(dāng)中，只有一個(gè)擁有卓越的開(kāi)端。

這個(gè)世界就是地球。地球是一個(gè)非常特殊之地，擁有正好適合生命的條件。我們所知的生命依賴(lài)液態(tài)水，而只有地球有能力在漫長(zhǎng)的歲月中保留液態(tài)水。這就是地球的卓越之處。地球是太陽(yáng)系中唯一擁有生命的行星。不過(guò)，雖然在今天的太陽(yáng)系中地球看起來(lái)很獨(dú)特，但我們不能只注意一個(gè)很小的時(shí)段和一個(gè)很小的空間。太陽(yáng)系中有大量地方曾經(jīng)、現(xiàn)在或?qū)?lái)可以居住。然而，今天的太陽(yáng)只鐘情一個(gè)可居住的世界——地球。那么，為什么只是地球而不是其他行星？讓我們離開(kāi)藍(lán)色地球去探索我們的姊妹行星，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)很驚人的一點(diǎn)：我們的巖石鄰居并不總是如此充滿(mǎn)敵意，它們?cè)?jīng)也具有接近地球的生命條件。那么，究竟發(fā)生了什么事？

水星可能原本不在這里

最驚人的是水星。距離太陽(yáng)5800萬(wàn)千米、直徑4880千米的水星充滿(mǎn)奧秘。在太陽(yáng)系的4顆巖石行星即水星、金星、地球和火星當(dāng)中，直到最近水星都被探索得最少，理由很簡(jiǎn)單——水星距離太陽(yáng)太近，要想進(jìn)入環(huán)繞水星的軌道難上加難。2004年，美國(guó)宇航局“信使號(hào)”飛行器踏上飛往水星之旅。直線(xiàn)飛往水星是不可能的，直線(xiàn)飛的話(huà)飛行器就必須達(dá)到很高的速度，這樣一來(lái)飛行器就需要很多燃料才能讓自己在進(jìn)入軌道時(shí)減速，而搭載如此大量的燃料是不現(xiàn)實(shí)的。于是，“信使號(hào)”從一顆行星飛到另一顆，運(yùn)用行星引力為自己減速，旋轉(zhuǎn)著向目標(biāo)靠近。為此，“信使號(hào)”一次飛近地球，兩次飛近金星。但即便如此，“信使號(hào)”接近水星時(shí)的速度依然太快，最終它不得不三次飛近水星，飛近速度一次比一次低。

2011年3月18日，在經(jīng)過(guò)近7年的精準(zhǔn)飛行后，“信使號(hào)”終于安全進(jìn)入環(huán)繞水星的軌道，開(kāi)始繪制水星表面地圖?！靶攀固?hào)”在軌道中拍攝的第一幅水星照片，非常符合科學(xué)家對(duì)水星表面情況的預(yù)計(jì)。但這一次先驅(qū)旅行導(dǎo)致科學(xué)家對(duì)水星形成理論徹底改寫(xiě)。水星是太陽(yáng)系中隕擊坑最多的行星，水星表面許多令人不解的特征揭示了水星的狂暴歷史，例如它的奇異軌道和慢得離奇的自轉(zhuǎn)——水星繞太陽(yáng)兩圈，才相當(dāng)于水星上的一天。換句話(huà)說(shuō)，水星的一天等于兩年。

更奇怪的是水星核很大。水星基本上是一個(gè)外層有很少量巖石的金屬球。在太陽(yáng)系四顆巖石行星中，為什么只有水星如此？“信使號(hào)”入軌后發(fā)回地球的水星化學(xué)數(shù)據(jù)，讓科學(xué)家大吃—驚—一“信使號(hào)”探查到了大量揮發(fā)性化學(xué)元素，例如硫和鉀。而在這么靠近太陽(yáng)的地方，是不應(yīng)該有這么多揮發(fā)性元素的。這些元素會(huì)進(jìn)入巖石，但在高溫下會(huì)揮發(fā)。大量有關(guān)水星形成的理論沒(méi)有預(yù)測(cè)到水星上會(huì)存在大量揮發(fā)性元素，科學(xué)家立即意識(shí)到這些理論是錯(cuò)誤的。“信使號(hào)”對(duì)水星的探索，可能表明了太陽(yáng)系故事中一個(gè)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

45億年前，剛形成不久的年輕水星仍然處于狂暴形成過(guò)程中的高溫下。漸漸地，富含揮發(fā)性元素的水星殼形成了。如果水星當(dāng)時(shí)很靠近太陽(yáng)，這些元素就很可能在巖石變硬之前揮發(fā)掉。那么，今天的水星為何會(huì)大量存在揮發(fā)性元素？事實(shí)上，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)系的漫長(zhǎng)歷史，行星軌道和位置才變成現(xiàn)在這樣。也就是說(shuō)，當(dāng)初行星軌道和位置和現(xiàn)在的不一定相同。有一種可能性是，水星并非形成于它目前所在之地，而是形成于靠近其他行星的地方，甚至有可能形成于金星軌道和地球軌道外。但如果真是這樣，水星又怎么會(huì)淪為今天所見(jiàn)的被太陽(yáng)烤焦的奇異小東西？

科學(xué)家對(duì)此還不十分清楚，但已經(jīng)有一些理論。“信使號(hào)”對(duì)于水星表面揮發(fā)物和水星巨大內(nèi)核的探測(cè)結(jié)果，為一種有趣的新理論提供了依據(jù)：水星有可能形成于比今天它距離太陽(yáng)遠(yuǎn)很多的地方。當(dāng)時(shí)這個(gè)地方有幾十個(gè)行星胚胎在競(jìng)爭(zhēng)行星席位，年輕的地球也正在這里形成。在一片混沌中，有可能某個(gè)大天體把水星推出原來(lái)的軌道，推向太陽(yáng)附近。在此過(guò)程中，水星與另一個(gè)行星胚胎發(fā)生碰撞，大部分水星殼和水星幔被撞掉。被撞掉的材料形成早期金星的一部分。只剩下金屬核的水星繼續(xù)朝著太陽(yáng)而去，最終進(jìn)入今天它所處的奇異長(zhǎng)橢圓軌道，從而躲過(guò)被太陽(yáng)完全湮滅的厄運(yùn)。

由于對(duì)水星真實(shí)情況的驚人揭示，“信使號(hào)”正幫助科學(xué)家全面改寫(xiě)水星形成理論。在“信使號(hào)”探測(cè)水星之前，科學(xué)家根本沒(méi)有意識(shí)到水星歷史會(huì)這么復(fù)雜而又有趣。令人遺憾的是，在探索水星4年后，“信使號(hào)”用于修正自己軌道的燃料耗盡?！靶攀固?hào)”最終墜毀于水星，為這個(gè)因?yàn)榫嚯x太陽(yáng)太近而其上所有生命希望都己被抹去的小小世界增添了一個(gè)小小隕擊坑。然而，距離不見(jiàn)得能幫助一顆行星避開(kāi)太陽(yáng)的威力。

極高溫金星曾經(jīng)有海洋

在水星軌道外4800萬(wàn)千米、距離太陽(yáng)1.08億千米的地方，直徑1.21萬(wàn)千米的金星看起來(lái)與地球更像。但金星被云層徹底籠罩。金星距離地球近，所以古人很早就知道金星的存在。但因?yàn)榭床淮┙鹦窃茖?，所以金星?duì)古人來(lái)說(shuō)非常神秘。早期科學(xué)家已經(jīng)料到金星有大氣層，還想到了金星在地球天空中如此明亮是因?yàn)樵茖油耆采w金星。過(guò)去的科幻作家著迷于一種想法—金星表面有悶熱、潮濕的熱帶叢林。如此看來(lái)，金星會(huì)不會(huì)是隱身云層下的另一個(gè)地球？科學(xué)家曾經(jīng)對(duì)金星的可居住性非?？春?，甚至第一批金星登陸探測(cè)器被設(shè)計(jì)來(lái)適應(yīng)掉在水面上。

20世紀(jì)六七十年代，蘇聯(lián)向金星發(fā)射了一系列登陸探測(cè)器。其中，1961年發(fā)射的“金星1號(hào)”還未登陸就與地球失去聯(lián)系。經(jīng)歷多次失敗后，1967年“金星4號(hào)”再次嘗試登陸金星，但在金星大氣層中進(jìn)行測(cè)量時(shí)失靈。盡管如此，每一次嘗試都讓科學(xué)家更多一點(diǎn)意識(shí)到金星的狀況根本就不像地球的那么溫和，而是非常極端。1975年，“金星9號(hào)”終于成功登陸金星，在實(shí)施探測(cè)不到1小時(shí)后停擺。1982年3月1日，“金星13號(hào)”開(kāi)始非常艱險(xiǎn)地向著金星表面下降。這艘飛船能忍受在幾秒內(nèi)就能把汽車(chē)壓扁的高壓和能熔化鉛的高溫。這一天，蘇聯(lián)人拍攝了金星表面的第一張彩照?！敖鹦?3號(hào)”采集數(shù)據(jù)共127分鐘。

探測(cè)表明，金星遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是一個(gè)海洋世界，而是一個(gè)徹頭徹尾的地獄，金星表面完全不可能存在生命。金星表面溫度高達(dá)457°C，金星大氣壓是地球的8g倍，金星大氣層中二氧化碳含量高達(dá)95.5%。但通過(guò)分析金星大氣層，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)曾經(jīng)的金星環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)不像今天的這么糟糕。今天金星大氣層中水含量很低，金星表面根本不可能有水，卻有證據(jù)表明金星曾經(jīng)濕潤(rùn)過(guò)。通過(guò)對(duì)金星大氣層中氫同位素組成的測(cè)量，科學(xué)家確信44億年前的年輕金星存在大量水，甚至很可能存在海洋。也就是說(shuō)，當(dāng)時(shí)金星與地球很相似——兩者與太陽(yáng)的距離都很合適，因此兩者表面都有液態(tài)水，有江河湖海。這樣看來(lái)，年輕時(shí)的金星是完全可能支持生命的。根據(jù)地球當(dāng)時(shí)的情況，科學(xué)家推測(cè)金星當(dāng)時(shí)有可能也出現(xiàn)過(guò)生命。但金星后來(lái)遭遇了什么變故，以至于最終變成一座煉獄？

太陽(yáng)系行星的可居住性與太陽(yáng)的歷史緊密相關(guān)。在這中間，行星與太陽(yáng)的距離是一回事，太陽(yáng)的年齡是另一回事?？茖W(xué)家已經(jīng)很清楚，像太陽(yáng)這樣的恒星會(huì)隨著衰老而變亮。隨著年輕的太陽(yáng)升溫，太陽(yáng)的輻射平衡也開(kāi)始改變。金星或許曾有過(guò)全球性海洋，但隨著太陽(yáng)溫度越來(lái)越高，金星表面也會(huì)升溫。在20億年里，隨著太陽(yáng)核心的核反應(yīng)引起太陽(yáng)升溫，太陽(yáng)越來(lái)越明亮。太陽(yáng)能量輸出的增加導(dǎo)致金星表面溫度越來(lái)越高，越來(lái)越多的表面水蒸發(fā)變成空氣中的水蒸氣。水蒸氣是一種溫室氣體。金星表面溫度越高，越多表面水轉(zhuǎn)化成水蒸氣。空氣中水蒸氣越多，升自金星表面的熱輻射被阻擋回來(lái)的也越多。金星云層一天比一天稠密，雨水還未等到落地就己蒸發(fā)，最終云層覆蓋了整個(gè)金星。

1990年，美國(guó)宇航局“麥哲倫號(hào)”探測(cè)器開(kāi)始在環(huán)繞金星的軌道中探索金星。“麥哲倫號(hào)”配備了穿云雷達(dá)，能看穿金星的稠密大氣層?！胞溦軅愄?hào)”發(fā)現(xiàn)，金星表面布滿(mǎn)巨大的火山熔巖平原，火山甚至高達(dá)8千米。金星表面的一些盾形火山，在太陽(yáng)系中數(shù)一數(shù)二。事實(shí)上，金星是太陽(yáng)系中名副其實(shí)的火山之都，金星表面分布的死火山數(shù)量在太陽(yáng)系行星中最多。科學(xué)家相信，在金星大氣層被太陽(yáng)加熱的時(shí)期，這些都是活火山。當(dāng)時(shí)火山氣體大量進(jìn)入金星大氣層。在地球上，二氧化碳、水蒸氣和甲烷等火山氣體都是作用很強(qiáng)的溫室氣體?？茖W(xué)家推測(cè)，金星火山氣體也不例外。最終，金星到達(dá)臨界點(diǎn)，失控的溫室效應(yīng)占據(jù)上風(fēng)，導(dǎo)致金星海洋蒸發(fā)一空，生命希望隨之湮滅?，F(xiàn)在金星表面溫度甚至比水星還高，是太陽(yáng)系所有行星中最高的。而隨著太陽(yáng)亮度增加，它的威力被所有類(lèi)地行星都感受到，火星自然不例外。

火星江河湖海為啥消失

火星距離太陽(yáng)2.29億千米，火星直徑為6779千米。比金星距離太陽(yáng)遠(yuǎn)得多的火星，也受太陽(yáng)支配。由于火星大氣層中一度富含溫室氣體，所以江河湖海曾經(jīng)在火星表面自由流動(dòng)了好幾億年。但火星比金星小得多，火星引力也小得多，所以火星更難留住原有的大氣層?；鹦堑囊簯B(tài)鐵核太小，無(wú)法保持熱量。鐵核降溫，最終固化，火星的保護(hù)性磁場(chǎng)由此關(guān)閉?；鹦窃瓉?lái)的強(qiáng)烈極光消失，裸露的火星遭到來(lái)自升溫的太陽(yáng)的高能粒子一太陽(yáng)風(fēng)轟擊，火星大氣層被轟掉，火星表面水蒸發(fā)到太空。凍結(jié)在火星表面各處的微量水——火星生命的最后希望，被火星的母恒星——太陽(yáng)扼殺。

在太陽(yáng)系和其他恒星一行星系統(tǒng)中，行星命運(yùn)都與行星環(huán)繞的母恒星息息相關(guān)。所以，在太陽(yáng)系中太陽(yáng)主宰我們的命運(yùn)。隨著太陽(yáng)的改變，地球周?chē)渌行巧系纳鼭撃茈S之改變。這些行星的歷史提醒我們，可居住性是一種不會(huì)永久持續(xù)的脆弱平衡。太陽(yáng)系中只有一顆行星一直保持液態(tài)水和可居住性，它就是地球。地球的非凡在于液態(tài)水和可居住性的穩(wěn)定性。幾十億年來(lái)，地球在自己的整個(gè)歷史中都保持了大量液態(tài)水，正是這些水推動(dòng)著地球生物演化?；鹦窃?jīng)有大量液態(tài)水（想象圖）。

地球特殊性將來(lái)會(huì)失去

地球真的很特殊。迄今為止，宇宙中確切知道的唯一生命之地就是地球。生命的發(fā)生不只需要液態(tài)水，而且需要水的長(zhǎng)期存在。這正是地球的魔法。由于地球大小和地質(zhì)學(xué)條件的適合，地球大氣層才得以足夠穩(wěn)定幾十億年，從而保護(hù)了珍貴的水，讓復(fù)雜生命得以演化。而生命塑造著地球上的陸地和海洋，今天正是生命在維持一直保護(hù)我們脆弱生態(tài)系統(tǒng)的大氣層。但隨著太陽(yáng)衰老，這種脆弱的平衡將難以為繼。太陽(yáng)系所有行星都在變化，其中當(dāng)然也包括地球。隨著地球變化，地球生命也必然會(huì)變化。目前的地球受到正好適量的太陽(yáng)輻射，但隨著時(shí)間推移，到達(dá)地球的太陽(yáng)輻射量必定會(huì)增加。

衰老的太陽(yáng)持續(xù)升溫?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)，地球溫度的升高最終會(huì)擾亂天氣模式，全球范圍大風(fēng)暴大旱的概率陡增。隨著全球植物逐漸滅絕，氧含量將劇降。大約10億年后，地球上的復(fù)雜生命體系會(huì)消失。最終，地球大氣層將變得像金星和火星大氣層那樣大多數(shù)由二氧化碳組成，地球匕也會(huì)發(fā)生失控的溫室效應(yīng)，地球同樣也會(huì)變成像今天金星這樣的火爐。當(dāng)太陽(yáng)的氫燃料耗盡后，太陽(yáng)將進(jìn)入紅巨星階段。這并非無(wú)端猜測(cè)，而是科學(xué)家通過(guò)對(duì)銀河系中其他恒星的調(diào)查得出的結(jié)論。

隨著太陽(yáng)耗盡自己的氫燃料，它由此進(jìn)入紅巨星階段，太陽(yáng)外層會(huì)膨脹到太空幾百萬(wàn)千米甚至更遠(yuǎn)。水星將首先被太陽(yáng)吞沒(méi)，接著金星也被吞沒(méi)，地球和火星茍延殘喘。最終，地球也被吞沒(méi)，地球生命打上句號(hào)。當(dāng)然這是很久很久以后的事了。隨著太陽(yáng)到達(dá)生命尾聲，太陽(yáng)周?chē)目删幼〉貛б约吧Ｍ矊⑾蛲庖苿?dòng)，進(jìn)入太陽(yáng)系外圍地帶。目前，那里是氣態(tài)巨行星所在地。因此，遙遠(yuǎn)將來(lái)的生命立足點(diǎn)將不會(huì)是這些行星本身，而是在環(huán)繞行星的類(lèi)地衛(wèi)星上。例如：小小的含冰衛(wèi)星恩克拉多斯（土衛(wèi)二）、木星的含冰衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二）和土星的另一顆衛(wèi)星泰坦（土衛(wèi)六）。

未來(lái)泰坦或許會(huì)出現(xiàn)生命

泰坦讓科學(xué)家尤為心動(dòng)，因?yàn)樗赡苤С忠环N有別于地球生命的、讓人興奮的生命可能。1997年，美國(guó)宇航局“卡西尼號(hào)”探測(cè)器飛往泰坦。當(dāng)時(shí)，“卡西尼號(hào)”經(jīng)過(guò)木星，奔向寒冷的太陽(yáng)系遙遠(yuǎn)地帶，全程近16億千米。它計(jì)劃進(jìn)入環(huán)繞土星的軌道，調(diào)查土星的冰環(huán)。在軌道中，它部署一部小型探測(cè)器“惠更斯號(hào)”探索比水星還大、被霧蒙蒙稠密大氣層覆蓋的泰坦。當(dāng)時(shí)，泰坦的表面對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)仍然是個(gè)謎。

2005年1月，“卡西尼號(hào)”向泰坦表面釋放由歐空局設(shè)計(jì)的“惠更斯號(hào)”。在下降過(guò)程中，“惠更斯號(hào)”向地球發(fā)回了泰坦的首批驚人照片。在這些照片上，科學(xué)家看到了明亮的高地，且高地上有暗色的水道。這樣的情景與地球何其相似！更驚人的是，“惠更斯號(hào)”在泰坦表面成功軟著陸，它發(fā)回地球的泰坦表面照讓科學(xué)家看到了泰坦與地球之間的更多相似。在“惠更斯號(hào)”著陸后，科學(xué)家立即分析它從遙遠(yuǎn)泰坦上發(fā)回的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)泰坦表面也有沖積平原和河流三角洲，那里的液體流動(dòng)過(guò)程也在創(chuàng)生圓石。但因?yàn)樘┨贡砻鏈囟群艿停挥?184°C，所以泰坦表面液體不是水。那是什么呢？“惠更斯號(hào)”在泰坦表面探查到了大量在地球上呈現(xiàn)為可燃?xì)怏w的甲烷，而相對(duì)高的大氣壓和低溫讓甲烷在泰坦表面呈液態(tài)。泰坦是潮濕的，但讓它潮濕的不是水，而是液態(tài)甲烷?？茖W(xué)家推測(cè)，泰坦表面也有風(fēng)暴，但風(fēng)暴中降下的雨是甲烷雨，泰坦表面的圓石頭很可能是液態(tài)甲烷沖刷出來(lái)的。

令人遺憾的是，“惠更斯號(hào)”只運(yùn)作了幾小時(shí)就停止工作，它沒(méi)有探查到液態(tài)甲烷刻鑿河床之類(lèi)的證據(jù)。但“惠更斯號(hào)”的母船“卡西尼號(hào)”在環(huán)繞土星的軌道中繼續(xù)活躍。在“惠更斯號(hào)”登陸泰坦一年后，“卡西尼號(hào)”在泰坦兩極地區(qū)上空高處飛過(guò)時(shí)，看見(jiàn)了被風(fēng)吹雨打的泰坦安大略湖、波浪翻卷的麗姬亞海以及比地球上的安大略湖大5倍的克拉肯海。

迄今為止，在泰坦表面發(fā)現(xiàn)的甲烷湖已有好幾百個(gè)。很少有科學(xué)家認(rèn)為今天泰坦表面存在生命，畢竟泰坦表面溫度太低。但如果泰坦升溫，考慮到泰坦所具備的生命要素，情況會(huì)怎樣？今天的泰坦表面存在大量有機(jī)化合物，但同時(shí)有生物學(xué)過(guò)程的可能性極低。不過(guò)，在遙遠(yuǎn)未來(lái)，當(dāng)?shù)厍蚝蛢?nèi)太陽(yáng)系變得不可居住時(shí)，泰坦所在地將得到更多太陽(yáng)能量，泰坦表面溫度將明顯升高，液態(tài)水將替代液態(tài)甲烷，而甲烷將蒸發(fā)掉，冰山將變成海洋。誰(shuí)能肯定那時(shí)的泰坦不會(huì)有復(fù)雜生命？

太陽(yáng)系的故事向我們證明，可居住性并不是一個(gè)永久特征。太陽(yáng)系是動(dòng)態(tài)之地，太陽(yáng)有生命周期，太陽(yáng)一生都會(huì)讓可居住地帶此起彼伏。地球生命現(xiàn)在是獨(dú)特的，將來(lái)卻不一定，因?yàn)樯乃劳鲈谔?yáng)系任何地方都發(fā)生，只是時(shí)間不同而已。即便在銀河系中，恒星數(shù)量就達(dá)幾千億顆，行星數(shù)量更多，這不禁讓人退想：其中一部分行星上有沒(méi)有可能也存在生命？

（責(zé)任編輯程輝）