新发现行星的矿物学可能指向宜居性

天体生物学家希望,通过日益灵敏的太空望远镜在系外行星上探测到某些矿物质,可能表明与生命相关的生化过程。

像生命一样,地球上的岩石也在演化和“物种化”。热量、水和氧气驱动着新矿物的产生——早期的碰撞、熔化和火山活动提供了必要的热力。板块构造通过将地壳元素和矿物质推向新的压力条件来提供帮助。值得注意的是,我们星球如今的大部分矿物多样性都要归功于地球上的生命形式和生物过程。大约23亿年前,新形成的细菌将二氧化碳大气转变为以氧气为主的大气。增加的氧气反过来与行星表面的矿物质相互作用,而这些矿物质又反过来与不断演化的生命相互作用。这种转化和重组今天仍在继续。

华盛顿特区卡内基科学研究所的罗伯特·黑曾在《大众科学》的2010年专题文章“矿物质的演化”中阐述了矿物学中的这种范式转变。他和他的同事们建立了矿物质演化的时间线,从而确定地球的矿物质种类随着行星的变化而变得更加多样化。最终,与生命的相互作用为地球最初20亿年间形成的约1500种矿物质目录增加了2500多种新矿物质。

现在,黑曾和他的同事们将他们的时间线应用到其他行星和卫星上的矿物质,这些矿物质的种群可以提供对过去和现在宜居性的见解。正如地球上的矿物质与地球及其生命共同进化一样,它们在太阳系内外其他天体上的存在或缺失可能表明行星在生物进化方面的地位,以及它们是否曾经能够支持生命。黑曾在4月份于太空望远镜科学研究所 (STScI) 举行的“跨越时空的可居住世界”研讨会上详细介绍了他的最新研究。


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开普勒太空飞船和其他望远镜在过去四年中发现的新行星数量激增,使得此类研究更加引人入胜。“这完全改变了我们对行星演化的看法,因为它意味着我们可以研究它们近地表的矿物学,并了解生物学,”黑曾说。

黑曾说,在一两代人的时间内,下一代太空望远镜分辨率的提高可能会使我们能够研究系外行星上矿物质和其他特征发出的光波。火星上的轨道飞行器和探测车已经在执行这项任务,以在那里定位矿物质。这些仪器可以发现与地球上相似的矿物成分,或者发现截然不同的成分,因为独特的局部过程相互作用以产生以前未知的矿物种类。例如,土星的卫星土卫六是一个拥有甲烷大气层的行星大小的天体,被认为是太阳系中最有可能宜居的地方之一。它拥有甲烷/乙烷池,这些池在蒸发后会留下盐状的晶体沉积物,这与地球上发现的任何沉积物都完全不同。

如果在地球上需要生化过程才能形成的矿物质可以在太阳系或其他行星上被探测到,那么它们的存在有可能表明一颗行星在过去的某个时候支持过生命。对系外行星上矿物质的任何远程探测都将取决于大型构造的存在,但地球上存在的大规模露头为我们提供了希望。例如,在摩洛哥,碳酸盐岩可以覆盖数百平方公里。黑曾说,如果太空望远镜上的像素分辨率足够精细,可以探测到大约130平方公里的区域,那么科学家们或许就能够探测到来自地球的此类信号。

参加了黑曾讲座的STScI的彼得·麦卡洛指出,发现与地球生命过程相关的矿物质将引发关于它们是在与生命相关的过程中进化而来,还是在新的环境中独立进化的讨论。

虽然在其他天体上,以热和水为主导的过程应该相当相似,但在地球上驱动新矿物产生的第三种力量是其含氧大气,黑曾说,这创造了一些最色彩斑斓、最美丽的矿物质。参加了黑曾讲座的SETI研究所和美国宇航局艾姆斯研究中心的开普勒科学家克里斯托弗·伯克说,为了让这种矿物质存在于另一个拥有不同大气层的行星上,就需要另一种从近地表岩石中剥离电子的化学方法。“如果我们没有发现生命,”他补充道,“也许我们可以找到一些矿物质,表明该行星的(矿物)进化达到了某个阶段,但并没有完全达到我们在地球上达到的程度。”

 

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