在寻找外星生命的过程中，地球——作为已知唯一有生命的行星——一直是起点。“我们寻找一些让我们想起家园的东西，”加州大学圣克鲁兹分校的天文学家Natalie Batalha说。这意味着一颗岩石行星，它与恒星的距离恰到好处——一颗类似于太阳的恒星——能够吸收足够的光线，使地表水以液态形式存在。
但是，随着天文学家发现成千上万颗行星，他们遇到了一个令人眼花缭乱的多元世界“动物园”。因此，一颗岩石行星——就今天的天文望远镜所能分辨的而言，类似地球——可能最终会与我们熟悉的地球截然不同。但是，这些岩石行星上的条件可能有多大的变化和多么的“非地球”？甚至极其陌生的世界也能孕育生命吗？
“是什么物理过程使它们更加多样化？”Batalha说。“这就是我们试图理解的。”
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许多这些物理过程都发生在行星的深处。特别是，一个世界内部放射性元素的存量可能通过加热其内部对它的宜居性产生巨大影响。人们认为，地球物理热量的强大来源对于板块构造和行星磁场的产生至关重要，而磁场反过来似乎对生命至关重要——至少在地球上是这样。在内部热量的驱动下，板块构造像传送带一样在地球表面滑动，这有助于稳定地球的气候。通过在地质时期循环碳，板块构造调节大气中的二氧化碳。我们星球的磁场有助于抵御强烈的宇宙辐射，它是由地球核心熔融铁旋转层中产生的电流形成的。这种地质“发电机”取决于地幔中放射性热量的多少。
现在一项新的研究发现，宜居的世界可能确实需要适量的这些放射性核素。太多了，行星可能会缺乏一个翻腾的发电机来产生强大的磁场——但它或许会拥有一个厚厚的、不适宜居住的大气层，那是从炽热的岩石中烘烤出来的。太少了，行星温热的内部可能会非常寒冷和惰性，以至于它根本无法维持太多的地质活动——这甚至可能使发电机停止运转。
“即使你找到一颗质量和年龄与地球相同的行星，它也可能截然不同，”加州大学圣克鲁兹分校的地球物理学家、上周发表在《天体物理学杂志快报》上的这项研究的主要作者弗朗西斯·尼莫说。
有了宜居行星？感谢你的幸运（中子）星
研究人员并非第一个探索放射性核素如何影响行星内部的人。但科罗拉多大学博尔德分校的地质学家斯蒂芬·莫伊兹西斯说，这篇论文“比我见过的任何论文都更详细地探讨了类地系外行星内部不同热量产生的地球物理和地球动力学后果”，他没有参与这项新研究。
在我们自己的星球内部，热对流是驱动发电机的动力：热的熔融铁球从深处升起，与上方较冷的地幔相遇，然后在那里冷却并沉回地核。这种循环将热量传递到地幔，然后地幔通过板块构造的作用将其释放到地表。热地幔物质从地壳板块边界和其他构造活跃区域的裂缝中渗出。而寒冷的地表岩石则向下推入热地幔，像在热饮料中加入冰块一样冷却它。尼莫说，撇开板块构造对调节地球气候的上述重要性不谈，如果没有板块构造，地幔就无法有效地冷却，从而阻止热量从地核中逸出。也就是说，如果地球缺乏板块构造，就不会有对流，也就不会有发电机。
岩石行星拥有发电机和板块构造并非理所当然。在所有围绕太阳运行的类地世界中，只有地球同时拥有这两者，这主要是因为其内部仍然锁着热量。莫伊兹西斯说，今天，地球大约一半的热量是其诞生时遗留下来的——由数百万年来无数岩石在引力作用下聚集在一起的剧烈撞击累积而成。我们星球剩余的大部分内部热量现在来自放射性核素钍232和铀238。
这些放射性核素以及其他核素，最有可能是在中子星的灾难性碰撞中形成的——中子星是超新星爆炸后留下的超高密度恒星尸体。在这些事件中，中子附着在重原子核上，形成更重的原子核，其中一些原子核随后爆炸进入更广阔的宇宙。这种碰撞非常罕见，在像银河系这样的大星系中，大约每10万年发生一次。每次事件都会产生放射性核素爆发，这些核素最终进入巨大的气体和尘埃云，这些云偶尔会坍缩形成恒星和行星。由于碰撞非常稀疏，恒星中放射性核素的丰度在银河系中差异很大，范围从我们太阳系中“局部”水平的30%到300%。
具有不同放射性加热量的岩石行星的三种版本。中间的行星类似地球，具有板块构造和发电机产生的磁场。顶部的行星具有更多的放射性加热，具有极端的火山活动，但没有发电机或磁场。底部的行星由于放射性加热较少而缺乏火山活动，在地质上是惰性的。 图片来源：Melissa Weiss UCSC
“金发姑娘”发电机
为了了解如此广泛的放射性核素丰度范围可能如何影响地球质量的行星，研究人员依赖于一个计算机模型，该模型模拟了世界内部的热流。他们发现，增加钍和铀的含量会使地幔升温到如此程度，以至于它就像一个绝缘毯一样，阻止热量从液态地核逸出。如果热量无法逸出，就不会有对流，这意味着没有发电机——也没有磁场。更热的地幔也会产生更多的喷气火山，这会产生令人窒息的、密度过高的大气层。
但是，如果放射性核素丰度过低，地幔就会变得非常寒冷，以至于会变硬。板块构造变得迟缓，最终，研究人员推测，它可能会完全停止。如果没有板块构造来冷却地幔并从地核中吸取热量，发电机又会关闭。
那么，在缺乏其他产生内部热量的方式的情况下，宜居行星可能需要适量的放射性核素，有点像童话故事《金发姑娘和三只熊》中那碗著名的粥的适中温度。
为了找到这样的行星，天文学家可以通过观察其主恒星的光谱来测量其主恒星中的放射性核素——光谱是星光分解成其组成波长的方式，编码了元素的化学指纹。由于恒星和行星都诞生于同一片气体和尘埃云，它们的化学成分应该相似。实际上，钍和铀很难用这种方法测量，因此在新的研究中，研究人员建议转而寻找铕——另一种由中子星碰撞产生的元素，它具有更清晰的光谱特征。
无论如何，这就是这个想法。澳大利亚麦考瑞大学的地球物理学家克雷格·奥尼尔说，该模型很简单，并且首先假设行星具有像地球一样的板块构造，他没有参与这项研究。“对于系外行星来说，这是否是一个有效的假设还有待观察，”他说。“这些模型将比没有板块构造的模型更容易产生磁场。”
尼莫说，的确，没有人确切知道板块构造所需的每一种成分。例如，水对岩石运动的润滑作用可能至关重要——尽管所有人都认为配方中包含丰富的内部热量。因此，它如何在多大程度上取决于放射性核素尚不确定。“我们甚至不了解板块构造在这个太阳系中是如何运作的，”他说。
莫伊兹西斯说，另一个很大的未知数是行星形成，这是一个复杂的过程，可能导致世界放射性元素和内部热量储量的变化。例如，行星主要是通过月球大小的岩石的剧烈碰撞形成的，还是通过相对温和的卵石群积累形成的？“根据你选择的模型，你可能会在成分上得到不同的结果，”他说。因此，测量主恒星中的放射性核素不一定能反映其行星内部的情况。
但是，如果研究结果被证明是正确的，那么寻找恒星铕可能有助于天文学家找到最有可能孕育宜居世界的行星系统。没有参与这项研究的Batalha说，这将非常有用。“我们将走出去测量恒星中的丰度，”她补充道。“也许这将有助于我们改进未来太空任务的初步观测目标选择。”