费英伟和他的同事们花了一个月的时间仔细制作了三片致密的硅酸盐薄片——每片都闪闪发光，呈圆形，厚度不到一毫米。但在 11 月初，是时候说再见了。费仔细地将样品，以及一些备用样品，用泡沫包装好，从华盛顿特区运到新墨西哥州的阿尔伯克基。在那里，桑迪亚国家实验室的 Z 脉冲功率设备很快就会向这些薄片发送 2600 万安培的电流，将它们逐一炸成尘埃。
Z 机器可以复制核武器爆炸内部的极端条件。但费英伟是华盛顿特区卡内基科学研究所地球物理实验室的一位高压实验地质学家，他有一个更超凡的目标：他希望探索布里奇曼石（一种在地球表面深处发现的矿物）在太阳系以外较大的岩石行星内部的更高温度和压力下的表现。
这项实验是外行星地质学的一个小贡献：一个研究领域将天文学家、行星科学家和地质学家聚集在一起，探索系外行星在地质学上的可能面貌。对于许多科学家来说，外行星地质学是寻找可能支持生命的星球的自然延伸。天文学家已经发现了数千颗系外行星，并收集了它们的一些重要统计数据，包括质量和半径。那些在宜居带（或“金发姑娘”带）中运行的行星——即围绕主恒星的区域，温度足以使水以液态形式存在——被认为特别适合生命存在。
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但亚利桑那州立大学在坦佩的外行星地质学家凯曼·翁特伯恩说，地球拥有的远不止其大小、质量和有利的轨道。例如，它翻腾的熔融核心会产生并维持一个磁场，从而保护地球脆弱的大气层免受太阳风的侵袭。板块的运动通过在岩石和大气之间循环二氧化碳来帮助调节全球温度。系外行星的发现不断涌现。但翁特伯恩说，天文学家“现在才意识到，‘好吧，等等，我们想对这些系统有更多的了解，而不仅仅是收集邮票’”。“将地质学纳入其中是一个自然因素。”
研究人员正在使用模拟和实验（如费在 Z 机器上进行的实验）来了解哪些类型的系外行星可能具有类似地球的地质结构。这项工作可以帮助研究人员确定优先研究哪些系外行星。
但该领域面临着一些挑战，其中最重要的是地球地质学的许多方面仍然笼罩着谜团——例如构造活动最初是如何以及何时开始的。“这是一项改变地质学的基本发现，”卡内基研究所的地球化学家理查德·卡尔森说。“但我们仍然不知道它为什么会这样运作。”更重要的是，证实一颗系外行星实际上拥有类似地球的地质结构可能很困难；天文学家很少直接观察这些行星，即使他们观察到，该行星在其图像中也可能只有一个像素的大小。
即使是间接证据——或最微小的暗示——表明存在地质活动，也可以让研究人员更全面地了解这些遥远的世界，以及哪些是寻找生命迹象的最佳候选者。“这就像你偶然发现了一个巨大的犯罪现场，但只有很少的证据，”麻省理工学院的宇宙物理学家萨拉·西格说。“你会竭尽全力地利用仅有的证据，并试图以某种方式将它们拼凑起来。”
向外探索
系外行星科学最令人兴奋的目标之一是超级地球。这些岩石行星的质量高达地球的十倍，在太阳系中没有同类。但现在已知它们在银河系中非常普遍，并且由于许多行星都相当大，因此它们可能比地球大小的行星更容易成为详细观测的目标。
大约十年前发表的早期超级地球地质研究，研究了这些行星如果只是地球的放大版会是什么样子。但 2004 年首次发现的灼热行星 55 Cancri e，突显了超级地球可能大不相同的观点。2011 年的观测显示，这颗行星的半径约为地球的两倍，质量约为地球的八倍多一点，平均密度仅略高于地球，这提出了一个难题。
如果 55 Cancri e 像地球一样拥有铁核和硅酸盐地幔，那么考虑到它的大小，它应该更重。包裹在整个行星周围的海洋会将 55 Cancri e 的密度降低到与地球相似的水平。但该行星太热，无法长时间存水；它离其主恒星太近，以至于白天温度约为 2500 开尔文。
解决方案出现在 2012 年，当时时任康涅狄格州纽黑文耶鲁大学的天文学家尼克·马杜苏丹和他的同事决定采用一种新的方法。之前的研究表明，该行星的主恒星的碳氧比远高于太阳。恒星及其行星由相同的尘埃和气体旋涡盘构成，因此假设 55 Cancri e 也富含碳似乎是合理的。当马杜苏丹在他的行星内部模型中考虑这种碳时，它与该世界的质量和半径相匹配。“这是一个启示，”马杜苏丹说，他现在在英国剑桥大学工作。而这样的世界将是真正的外星世界。马杜苏丹怀疑它的地壳可能以石墨为主；在行星内部，压力可能会将大量的碳元素压成钻石。“与我们在太阳系中看到的相比，它看起来会非常极端，”他说。
一颗由钻石构成的行星会激发人们的想象力，尽管 55 Cancri e 的主恒星可能实际上并不像人们想象的那么富含碳。即使如此，天文学家也警告不要假设行星的组成与主恒星的组成相匹配。西格指出，这个想法不能很好地解释太阳系中行星的多样性。“在这一点上，这是一个合理的推断，但我认为重要的是要意识到它并非铁板钉钉，”耶鲁大学的天文学家格雷戈里·劳克林说。
建造系外行星
外行星地质学家已经接受了这种不确定性，并尽力确定遥远的世界是如何形成和演化的。为了从起始元素的列表过渡到地质学，科学家需要知道会形成哪些矿物，它们何时融化以及它们的密度如何随压力和温度变化。这些数据可以用来模拟行星如何从一个未分化的熔融球发展成分层结构，随着行星冷却，矿物形成并沉没或漂浮。“我们可以建立一个矿物学的，让我们说，行星最初样子的洋葱皮模型，”阿姆斯特丹自由大学的地质学家威姆·范·韦斯特雷宁说。然后，他说，研究人员可以使用数值模型来预测该行星将如何演化，以及物质的迁移是否足以驱动板块构造。
为了收集数据来支持这些模型，地质学家开始将合成岩石置于高温高压下，以复制系外行星的内部结构——就像费和他的同事们正在做的那样。虽然这些实验的目标是新的，但方法并非如此。几十年来，实验岩石学家已经建造了仪器来模拟地球内部的条件，从地表以下几厘米到地球核心的任何地方。许多人使用一种称为金刚石砧盒的装置。该装置通过将两个宝石级钻石的钝尖推在一起挤压材料。在样品承受压力的同时，可以使用激光加热它。与此同时，实验人员可以用 X 射线轰击材料，以研究其晶体结构，并探索材料在被推到高温高压下时如何变化。
包括亚利桑那州立大学矿物物理学家沈尚宪和他的同事在内的研究小组已经使用此过程挤压可能反映 55 Cancri e 组成的富碳样品。这项工作揭示了富含被称为碳化物的含碳化合物的行星如何传递热量，以及它们与像地球这样以硅酸盐为主的行星有何不同。
碳不是唯一令人感兴趣的元素。翁特伯恩指出，镁、硅和铁是影响行星整体结构的“三大元素”，它们会影响地幔中的热流以及行星核心的相对大小——从而分别影响板块构造和全球磁场的存在。这些元素在恒星中的比例差异很大。太阳每有一个硅原子就有一个镁原子；在其他恒星中，该比例的范围为 0.5 到 2。这种差异似乎很小，但如果行星中存在相同的比例，它们可能会极大地影响地质。
大多数教科书认为，富含镁的岩石会比高浓度硅的岩石更软——以至于在富含镁的世界行走可能感觉像在泥泞上行走。沈使用金刚石砧盒对具有不同镁硅比的岩石进行的研究表明，这些世界的岩浆储量也可能比富硅行星更深，因此火山爆发更具灾难性。但沈指出，其他参数（如矿物中水的浓度）也必须考虑在内。
高压
使用两个钻石，沈可以施加不超过 400 吉帕斯卡的压力，略高于地球核心的压力。为了探测超级地球的内部，他求助于世界上最亮的 X 射线激光器：位于加利福尼亚州门洛帕克的 SLAC 国家加速器实验室的线性能量相干光源。该仪器可以在样品内部产生冲击波，产生高达 600 吉帕斯卡的压力——足以模拟质量是地球两倍的行星的核心。
地质学家还在使用其他大型设施来探测潜在的系外行星结构。Z 机器可以达到 1000 吉帕斯卡——这是质量接近地球三倍的行星内部的预期条件。在法国帕莱索和日本大阪的激光设备可以达到类似的范围。一些研究人员已经求助于加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的国家点火装置，该装置用于研究核聚变，可以将样品承受高达 5000 吉帕斯卡的压力，这相当于木星深处的压力。这些实验仍处于初步阶段，因为研究人员争夺这些设施的时间，并慢慢积累各种基本化合物的数据。
最终，外行星地质学家希望找到正确的元素组合，以建造具有类似地球地质结构的系外行星。“我想确定成分的宜居带，”哥伦布市俄亥俄州立大学的地质学家温迪·帕内罗说。“什么是岩石成分的不过于软、不过于硬的宜居带？”
答案可能并不明确。即使完全了解成分，也未必能让地外地质学家深入了解行星的状态。例如，地球早期历史上没有板块构造，而且预计也不会永远存在。而它的邻居金星则显示了行星演化可能出现多么大的差异。金星的质量、半径、成分以及与太阳的距离与地球相似。但地球孕育了生命，而笼罩在二氧化碳雾霾中的金星却一片死寂。科罗拉多大学博尔德分校的地质学家斯蒂芬·莫吉兹斯认为，地球板块构造的丧失最终会导致它变得像其过热的兄弟星球一样。“这是不可避免的，”他说。“我们只是不确定这会在何时发生。”因此，尽管大多数早期的系外行星模型都侧重于成分，但地外地质学家最终可能不得不考虑其他因素，例如数十亿年的行星演化。
一些人期望这项工作能够帮助天文学家确定在寻找生命时应该将哪些行星作为目标。如果科学家们知道维持数十亿年磁场所需的条件，或者在地幔中驱动对流所需的元素比例，他们就可以建议他们的同事仔细研究那些符合这些标准的星球。然后，天文学家可以将强大的望远镜，例如美国宇航局计划于2019年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜，对准那些行星，以搜索它们的大气层中是否存在外星生命潜在的迹象。
从远处发现地质活动也可能是可行的。例如，大气中硫的瞬时峰值可能间接证明存在活火山。当行星旋转时，反射率的变化可能暗示着大陆和海洋的存在，这也可能表明存在构造活动。
已经有人讨论过可能探测到火山活动——在巨蟹座55 e行星上。2016年，伯尔尼大学的天文学家布莱斯-奥利维尔·德莫里和他的同事们利用美国宇航局的红外斯皮策太空望远镜绘制了该行星的第一张热图。这颗行星被潮汐锁定在其恒星上，因此一个半球永远沐浴在阳光下，而另一个半球则处于黑暗之中。这颗行星最热的地方应该离恒星最近，但德莫里和他的同事们发现，最热点似乎是偏移的。他们认为，流动的熔岩正在带走热量（尽管最近的研究认为风可能才是造成这种情况的原因）。
很明显，巨蟹座55 e不是生命宜居之地。但其他星球可能更具吸引力。今年早些时候，温特博恩完成了一项研究，研究了1000多颗类似太阳的恒星。通过它们的成分，他确定其中三分之一的恒星可能拥有行星，其地壳密度足以沉入地幔——这一过程可能使板块构造持续繁荣数十亿年。
尽管研究人员才刚刚开始探索系外行星的地质，但卡尔森指出，对这些星球的研究已经产生了一些惊喜，尤其是一些行星似乎经历了从原始轨道的大幅度迁移的证据。这一发现促使天文学家重新思考太阳系的演化，并推测类似的运动可能帮助将水冰等物质带到了地球。“我不认为人类的想象力和创造力能与大自然相提并论，”卡尔森说。“所以，了解那里的多样性将打开我们的视野，让我们看到其他的可能性。正是这些其他的可能性将帮助我们更好地了解自己的处境。”
本文经授权转载，并于2017年12月6日首次发表。