在1982年，在麻省理工学院的行星科学系，人们谈论最多的就是NASA最新的旗舰任务——金星轨道成像雷达（VOIR）的取消。我们中的一位（Dyar）当时是那里的研究生。（另外两位还在上大学和小学。）研究生们在走廊里公开哭泣，资深教员们则摇头叹息。新当选的里根政府对太空探索进行了全面削减，而VOIR就是其中一个受害者。
然而，不久之后，科学家们拼凑出了一个廉价宇宙飞船（6.8亿美元）的计划，该飞船由剩余的硬件制成，并奇迹般地挽救了这项任务。1989年，麦哲伦号轨道飞行器发射升空，执行金星侦察任务，到1990年它进入了轨道。在接下来的五年里，该轨道飞行器传回了近乎全球的雷达图像、重力数据以及这颗太阳系第二颗行星的地形图。这是苏联和美国对我们邻近行星进行的一系列长期任务中的最新一次，但当麦哲伦号在1994年坠入金星表面时，NASA对金星探测器的支持也随之消失。从那时起，科学家们提交了超过25份重返金星的任务提案，尽管其中一些提案获得了审查委员会的高度评价，但直到最近才获得批准。麦哲伦号收集的数十年之久的数据仍然是金星地球科学的基础。
金星大气层，如日本“拂晓”号探测器拍摄的数据合成图像所示，包含浓厚的硫酸云。图片来源：JAXA、ISAS、DARTS 和 Damia Bouic
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但行星科学家们永不放弃，我们仍然在揭开这个世界的秘密方面取得了进展。自麦哲伦号以来，欧洲和日本的航天机构已经向金星发送了成功的任务，从而在理解其大气层方面取得了突破。与此同时，科学家们一直在忙于通过对麦哲伦号数据进行新的分析来改写关于我们姐妹行星的教科书。我们现在认为金星上的火山活动十分猖獗，我们甚至发现了板块构造开始的迹象，科学家们认为板块构造对于行星的宜居性至关重要。新的理论模型还表明，金星表面可能在相对较晚的时候才出现液态水——这意味着它可能比我们曾经认为的更适合生命居住。
所有这一切都与天文学的另一项惊人进展不谋而合：在其他太阳系中发现了数千颗系外行星，其中许多系外行星的大小和与恒星的距离与金星大致相同。我们从邻近行星学到的一切都可能教给我们关于这些遥远、难以接近的世界的知识。特别是，如果我们能够弄清楚金星是否以及何时可能具备孕育生命的条件，我们将更了解在整个银河系中大量类金星天体上找到生物的可能性。
系外行星类似物
迄今为止发现的大多数系外行星都是使用凌星法发现的，天文学家通过这种方法观察恒星，以寻找当轨道世界从它们前方经过时发生的明显的亮度波动。通过这项技术，我们可以测量遥远行星的大小，但大小只能告诉我们这么多。毕竟，如果一个外星观察者使用凌星法观察我们的太阳系，金星和地球看起来几乎完全相同。然而，金星对于生命来说是无法居住的，而地球在过去的40亿年里一直适合居住。
我们可以通过测量大小相似的行星与恒星之间的距离来进一步区分它们。“宜居带”是恒星周围的一个区域，在这个区域内，一颗岩石行星的表面可能存在液态水。显然，地球就在这个区域内。我们认为，金星曾经也位于这个区域内——事实上，相当长一段时间。然而，随着太阳光度随着年龄的增长而增加，宜居带的边界会随着时间向外移动。金星现在已超出这个范围，并占据了我们称之为“金星带”的区域，在这个区域中，表面条件非常炎热，以至于行星很可能发生失控的温室效应大气层，从而将海洋煮沸蒸发。
金星和地球在非常相似的条件下形成——包括使地球拥有海洋的条件。彗星撞击可能将冰带到两颗行星的表面。太阳风（从太阳喷射出的带电粒子）很可能在两颗行星的表面都注入了一层薄薄的氢离子。当金星和地球还是从围绕太阳的原始尘埃盘中积聚起来的原行星时，两者都收集了氢和其他挥发物，这些化学物质很容易沸腾蒸发。早期金星的模拟表明，该行星的表面可能比地球更早出现液态水，并且水可能在那里存在到大约十亿年前。
然而，事实仍然是，金星现在是令人望而却步的不适宜居住。发生了什么？金星是否代表了所有宜居行星的最终状态，还是仅仅是这种大小的行星可能变成的众多方式之一？这些是我们想要回到金星去回答的一些主要问题。
被遮蔽的表面
我们对金星的了解在一定程度上受到难以穿透该行星浓厚、有毒大气层的巨大困难的限制。在高处，硫酸云笼罩着这个世界。在地面上，气压相当于地球海洋表面以下3000英尺的水压。那里的大气如此稠密，以至于其主要成分二氧化碳充当超临界流体，其性质介于气体和液体之间。
科学家们认为，这种大气层曾经与地球相似。然而，与我们的世界不同，金星现在缺乏磁场来排斥太阳风。我们认为，经过漫长的岁月，太阳风通过将水分解成氢离子和氧离子并将它们带入太空而消除了行星上的水。由于没有地表水来溶解不断从内部逸出的二氧化碳和其他气体，这些化学物质在大气中积累。由于这种大气层的温室效应，金星表面的温度比地球高出近800华氏度——热到足以使岩石发光。
我们从金星表面获得的唯一数据是由苏联的四艘金星探测器在1970年代和1980年代着陆时收集的。这些探测器仅在行星残酷的表面上存活了几分钟，但在那短暂的时间里，它们收集并传回了那里化学成分的粗略测量数据。除了这些读数之外，我们对表面矿物学的了解完全依赖于对麦哲伦号雷达测量结果的有争议的解释，以及我们对金星条件下行星岩石和大气气体之间可能发生的化学反应的有限了解。
研究人员发现，有可能通过观察电磁光谱中的几个“窗口”来从轨道上绘制金星的矿物图，在这些“窗口”中，可见光可以逃脱大气中二氧化碳的吸收。巧合的是，这些窗口与识别典型行星矿物橄榄石和辉石的关键区域相吻合，这为我们最终确定金星的基本成分带来了希望。欧洲的金星快车号探测器于2006年至2014年绕金星运行，它利用其中一个窗口绘制了来自行星表面大部分南部半球的热辐射的第一张地图。该地图包括光谱特征——光和热的峰值和谷值——可以识别地面上的矿物。
该地图还识别出许多热点——辐射出如此多热量的区域，最可能的解释是最近的火山活动。这是一个令人兴奋的发现，因为它表明，与早已沉寂的月球和现代火山活动充其量只是孤立存在的火星不同，金星仍然活跃——这一发现对行星是否适合生命居住具有重要意义。
板块构造
在地球上，火山活动通常与板块构造有关——板块构造是指地壳大片的移动和滑动，这造成了我们星球上大部分的地质特征。板块构造也是长期气候周期的幕后推手，这些周期大约为1亿年，使生命能够在地球上出现。板块构造在地球中洋脊形成了新的地壳，并允许地壳层沉入地幔——这两个过程使我们的星球能够散失内部热量并冷却到生命可以出现的程度。构造活动还从地球深处释放出水、二氧化碳和二氧化硫等挥发性化学物质到大气中，并在板块滑到其他板块下方时将挥发物循环回地幔。
图片来源：Tiffany Farrant-Gonzalez
如果没有火山活动，地表水就会很少，生命起源也就无从谈起。挥发物的这种循环有助于维持地球的大气层，这对于生命的出现至关重要。同样，大陆是板块构造的产物，它为海洋生物进化到陆地提供了高于海平面的稳定漂浮平台。由于这些和许多其他原因，了解金星是否具有板块构造——以及为什么有或没有——至关重要。
在地球上，有限的数据表明板块构造早在40亿年前就开始了，但几乎没有留下记录。我们并不真正了解一颗行星是如何从一个可能拥有海洋的玄武岩覆盖的世界过渡到一个具有复杂特征的复杂移动板块系统的。一种主要的假设是，来自地球深处的物质团块（称为地幔柱）爆发到地表，引发了俯冲——一个板块滑到另一个板块下方的行为。热地幔柱削弱了岩石圈（包括地壳和上地幔）并向上推，导致地表破裂或“裂谷”。来自地幔柱头的压力会产生剧烈的火山活动，这在地球和金星上都观察到过。破裂的岩石圈上的负载会导致这一层下沉并促使俯冲，从而使岩石圈的一层滑到另一层下方。如果这个过程发生得足够频繁，俯冲板块就会连接起来，板块构造就开始了。
这可能正在今天的金星上发生。现在金星上的岩石圈是温暖而薄的——很像地球板块构造开始时的情况。一些数据表明，金星上的特征与地球俯冲带之间存在令人信服的相似之处。一个例子是阿耳忒弥斯冕状物，这是一个位于金星赤道附近的圆形构造，其规模和形状与沿阿拉斯加海岸线位于海洋下方的阿留申海沟相似。科学家们推测，这种金星特征代表了地幔柱从地幔上升到地表并推开地壳的地点。
来自麦哲伦号和金星探测器数据的金星全球地图显示了各种特征，包括圆形阿耳忒弥斯冕状物（方框），这可能是板块构造的迹象。图片来源：NASA、JPL 和 USGS
此外，最近的实验室实验和计算机模拟表明，这些地幔柱正在地壳顶层破裂的地方引发俯冲。特别是，这些实验解释了为什么俯冲似乎只发生在圆圈的一部分周围：当脆性岩石圈在中心破裂时，它会分裂成几段，就像用铅笔戳纸时纸张会撕裂成不同的楔形一样。随着岩石圈下沉，它会继续撕裂，形成几段。如果这些片段能够连接起来，我们就会看到金星上板块构造的开始。
现有这些特征的图像分辨率太低，我们无法确定我们所看到的是什么。但看来金星上的板块构造正处于发展的早期阶段。麦哲伦号的观测结果没有显示出相互连接的板块的证据——相反，我们看到的是孤立的点，俯冲正在开始，在每种情况下，都在地幔柱似乎正在上升的这些圆形区域之一周围。随之而来的问题是：为什么板块构造没有更早发展？它现在将采取什么进程？随着金星随着时间的推移而更充分地冷却，现在正在打开的断层可能会持续存在，从而使这颗行星经历与地球上经历的相同的板块构造转变。如果我们能够观察到金星上板块构造的开始展开，那么这个过程及其伴随的大气稳定化可能在通往宜居性的系外行星上很常见。
更好的视角
我们从未有如此充分的理由向这颗经常被忽视的太阳系第二颗行星发送一项新的重大任务。借助高分辨率的全球成像和光谱，我们可以回答关于金星上的火山活动和可能的板块构造的引人入胜的问题。这个过程现在真的在发生吗？地表活动与行星内部正在发生的事情有何关系？金星上的条件，例如其温度，如何影响这种构造活动？我们看到的一些地表特征，例如科学家称之为镶嵌地块的皱褶，是过去潮湿时代的遗迹吗？
2019年，NASA征集了下一批最小级别太空探测器（称为“发现”任务）的提案。我们中的另一位（Smrekar）和 Dyar 正在领导一个名为 VERITAS（金星辐射率、无线电科学、InSAR、地形和光谱学）的拟议任务，该任务旨在以前所未有的更高细节绘制金星表面地图。它将携带多种仪器，包括成像相机和光谱仪，以提供地形分辨率数量级的改进以及首创的行星全球成分图。另一项金星任务提案也在制定中，暂定发射日期为2030年左右。
在麦哲伦号抵达金星30多年后，发射麦哲伦号的那一代科学家正在变老并退休。现在执行金星任务将使研究人员能够将火炬传递给新一代，他们可以使我们更接近理解为什么我们的行星姐妹与地球的演化如此不同。也许我们甚至可以发现生命出现所需的条件是什么。