“太妃糖行星”暗示地球的宇宙稀有性

拥有可拉伸、流动的岩石的系外行星可能缺乏板块构造——以及复杂生命

从开普勒-36b看到的推测景象,这颗潜在的“太妃糖行星”可能在其表面或附近拥有可拉伸、几乎像太妃糖一样的岩石。背景中升起的是邻近的行星开普勒-36c。

我们这些住在地表的人可能不会经常想到,但岩石可以流动——更像极其迟缓的牙膏而不是水。暴露在我们脚下遥远地狱般的领域中的极端温度和压力下,岩石几乎可以游泳——缓慢地向下潜伏,并在地球的大部分地表下向上浮动。

对于其他恒星周围的一些岩石世界来说,地球内部的情况可能会一直延伸到地表。超级地球——有时是比我们浅蓝色星球更大但比海王星等巨大的冰巨星更小的岩石系外行星——具有相对较强的引力场。一些科学家怀疑,由于这种极端的引力,这些世界上的岩石会流动得更接近地表。

这种排列意味着,在这些系外行星的地壳上,只能在薄薄的表层中找到会断裂、破裂和破碎的岩石。如果这些岩石超级地球拥有像金星一样厚重的大气层,或者特别靠近其母星,那么它们的表面可能根本不会表现出熟悉的脆性地质。相反,北卡罗来纳州立大学的行星科学家、超级地球研究的主要作者保罗·伯恩说,它们的表面岩石会在很长的时间尺度上表现出奇怪的延展性,流动起来有点像任何地球糖果店里出售的拉伸性、含糖的糖果。


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可以理解的是,伯恩将这样的世界称为“太妃糖行星”。

在德克萨斯州伍德兰举行的第50届月球与行星科学会议上提出的研究尚未经过同行评审。但这并没有阻止伯恩的团队推测其发现可能对我们太阳系之外已经发现的无数超级地球意味着什么。最引人注目的可能性是,超级地球可能无法维持板块构造——大陆的漂移和地壳岩石的循环,而这密切地塑造了地球。没有这个过程,你可以告别山脉的形成、海洋的创造和行星的许多火山,甚至可能是复杂生命本身的进化。

科学已经开始深入专家的脑海。“这是一个引人入胜的概念,”麻省理工学院的天体物理学和行星科学教授萨拉·西格说。在系外行星科学中,“你很少看到像这样的新事物。他们提出了新事物,这本身就令人印象深刻。”

太阳系外推论

伯恩和他的同事们的研究取决于定义行星表面深处岩石不再以机械方式断裂,而是开始像热塑料一样移动的点。这个点被称为脆性-延性转变(BDT),取决于压力和温度如何随深度变化。对于我们地球的地壳,BDT位于地表以下约15.5英里处,尽管它的变化相当大。但是,在超级地球上,更大的引力会相应地增加岩石上的压力,情况又会如何呢?在这样的外星行星上,BDT会在多深的地方出现?

研究人员从他们自己2017年的先导论文中获得灵感,汇编了200项现有研究的数据,这些研究检查了玄武岩和其他常见岩石类型在各种压力和温度下的实验室变形。他们首先使用这些数据来计算地球的BDT深度,校准他们的方程式,直到出现合理的数字。然后,他们输入了美国宇航局已故的伟大开普勒太空望远镜发现的五颗相当大的、潜在的岩石系外行星(从巨大的开普勒-36b到较小的开普勒-406c)上普遍存在的估计引力。

计算结果显示,这些超级地球的BDT深度出奇地浅,其中一些甚至在地表以下仅一英里多一点。附近的恒星、令人窒息的大气层或大量的内部放射性产生的热量可能会进一步烘烤这种世界的顶部,可能会将BDT一直提高到地表,从而创造出一个完全成熟的太妃糖世界。

从少数几个数据点做出行星尺度的推断总是冒险的,研究人员承认他们的计算做出了许多假设。美国宇航局约翰逊航天中心的火山学家和实验岩石学家凯拉·雅科维诺指出,其中一个假设是,真正的系外行星很可能具有复杂的内部结构——而这项研究的简化方法没有考虑到这一现实,她没有参与这项工作。

宾夕法尼亚州立大学的地球动力学家布拉德·福利也对研究工作表示赞许,他赞同伯恩团队的初步计算和背后的原理,但他对另一个关键假设表示怀疑:在这些岩石超级地球上,岩石圈(行星最上面的力学层)会非常薄。他说,即使地表有延性岩石的行星仍然可以拥有厚的岩石圈,因为岩石圈的厚度取决于世界下方地幔的翻腾程度。由于这种翻腾不是BDT显着影响的,因此不能使用BDT来衡量岩石圈的厚度。

尽管该模型仍在开发中,雅科维诺说它已经展示了一种“非常酷的方法,可以使用非常小的数据集来推断太阳系外世界岩石圈可能是什么样子。它非常简化,”但由于缺乏大量的系外行星数据,“这是我们必须使用的方法。”

按数字作画

伯恩承认,测试模型有效性的唯一方法是获得候选岩石超级地球的直接观测数据。尽管人们希望巨大的下一代系外行星间谍望远镜将能够模糊地了解它们的地形,但目前,这种壮举仍然远远超出我们的能力。

考虑到这一点,德克萨斯大学达拉斯分校的地球科学家罗伯特·斯特恩说,这项雄心勃勃的工作值得称赞,因为这些数值模型将有助于描绘出系外行星地质可能是什么样的。“在我的有生之年,我看到太阳系从属于天文学家变成了属于地质学家的东西,”他说。“我们还没有在系外行星上达到那种程度,但你可以看到这朝着这个方向迈出了一步。”

尽管是渐进的和临时的,“太妃糖世界”假说可能代表着向前迈出的一大步,因为它直接解决了许多思考系外行星的地质学家脑海中最重要的问题:拥有板块构造的世界是像泥土一样常见还是极为罕见?无论如何,答案都具有改变游戏规则的意义。

为了使板块构造存在,行星需要一些要素。水可能至关重要,因为它会削弱地幔,并允许行星的碎片滑动,否则这些碎片将保持不动。世界板块还必须足够厚且密度足够大才能沉入地幔——这是在数百万年中启动和稳定构造循环的关键步骤。无论有没有水,“太妃糖世界”的薄如纸的脆性层都无法深入,从而在板块构造的“引擎”启动之前就将其短路了。

斯特恩说,这个概念加强了板块构造是宇宙中罕见特征的观点。毕竟,就我们目前所见,地球是唯一一个板块构造运作的行星。

除了使太妃糖行星在地质上变得乏味之外,板块构造的缺失还可能显着减少大陆侵蚀和径流流入任何海洋。斯特恩解释说,这将剥夺太妃糖世界的一种养分泵,这种养分泵可能在古代地球上极大地促进了生命的繁荣。板块构造还充当地球的恒温器,通过缓冲大气温室气体的水平来保持行星温度在地质时间尺度上稳定。这两种构造副作用对于复杂生命的发展可能是必不可少的。

西格说,板块构造无疑使地球的长期生物地球化学循环不断更新,但她推测,地幔离地表更近可能会产生一种完全不同的刷新机制。尽管科学目前尚不清楚,但没有什么可以证明这种情况不会支持太妃糖世界自身的生物地球化学循环。

无论如何,“我们不 知道 板块构造是宜居行星的先决条件,”伯恩说,“所以我们当然不能说太妃糖行星是 不宜居的。”

有争议的糖果

这项发人深省的研究中最具争议的方面实际上与任何科学无关。它是关于这些可能的系外行星的名称。

该团队由来自英国和爱尔兰的研究人员组成。“对我们来说,”伯恩说,“‘太妃糖’意味着柔软而有嚼劲的东西。”来自北美的科学家们往往不这样认为这个词,认为太妃糖是一种坚硬、脆的零食。伯恩建议“太妃糖”或“软糖”可能更好,他在推特上进行的民意调查显示,“黏糊糊”与“太妃糖”并列为参与者首选的命名法。

美国宇航局的凌日系外行星巡天卫星(TESS)发现了一颗全新的、已确认的岩石超级地球,HD 213885b,这让情况变得更加复杂。拜恩的计算表明,这个新发现的世界可能是一个太妃糖星球,其表面有一层厚度略超过两英里的脆性层。问题在于,HD 213885b 的母星辐射类似于55 Cancri e,这是另一个已知的岩石超级地球,其向阳面完全熔化。

拜恩说:“如果 HD 213885b 也同样热,那么表面缺乏刚性就不是因为相对较高的表面重力,而是因为地面是熔岩。” 因此,它不是完全的太妃糖星球,而是非常接近的东西。

他认为,也许“奶酪火锅星球”也是存在的。

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