致命金星，向我们诉说异星生命的奥秘|大气层|太阳系|异星|火星|系外行星|致命金星|超级地球

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翻译：蔡贺菁

校对：王婧彧申振宇

后期：李宜骅

美编：周英杰

金星和地球

图片来源：techcentral.co.za

金星与地球虽然被誉为“姐妹行星”，但它们之间的差异却如同天堂与地狱一般悬殊。地球是生命的绿洲，尽管历史上经历了多次生物大灭绝，但生命仍在蔚蓝的天空下顽强地繁衍不息。而金星，则是一颗炽热的星球，笼罩在硫酸云之下，其大气压力足以致命。

然而，金星与地球之间的“姐妹”关系依旧紧密。这是因为它们的质量和半径都相当接近，且同为内太阳系中相邻的岩质行星。那么，为何这对“姐妹行星”会展现出如此迥异的特性呢？这些差异对我们寻找外星生命会有什么启示呢?

国际天文学界已经认识到，对行星宜居性的深入理解是空间科学和天体生物学的核心要义。如果我们不能更深入地研究类地行星及其大气层，不论其是否适宜居住，我们在探索遥远的系外行星时就难以真正了解我们所观测到的现象。因此，空间科学和天体生物学成为了我们分析和研究这些未知世界的关键工具。

系外行星 Ross 128 b 绕其红矮星运行的艺术想象图。我们无法抵达这样的潜在宜居岩质行星。

图片来源：ESO/M. Kornmesser

这将科学研究的焦点转移到了我们太阳系中的类地行星上。这不是因为它们看起来宜居，而是因为一个完整的类地行星模型也需要包括那些近乎地狱般的行星，就比如地球的“姐妹行星”——金星。

《自然·天文》杂志最近发表了一项研究，深入探讨了金星和地球这两颗行星是如何分化的，以及导致这种分化的原因。该文章标题为“金星作为行星宜居性的关键性质”，由加州大学河滨分校地球与行星科学系的斯蒂芬-凯恩担任第一作者，并与圣路易斯华盛顿大学地球、环境和行星科学系的保罗·伯恩共同撰写。

“行星科学和天体生物学界面临的一个核心挑战在于理解行星的宜居性，这涉及到众多因素，它们共同控制着地球适宜表面环境的演变与可持续性，”凯恩和伯恩在文章中写道，“太阳系内仅有的几颗类地行星的大气层，是我们研究这些宜居性因素的宝贵资源，据此我们可以构建并应用于系外行星的模型。”

他们认为，太阳系的这对“姐妹行星”——地球和金星，为我们提供了绝佳的机会来研究为何相似的行星会拥有如此截然不同的大气层。通过深入研究，我们能更好地理解岩质行星是如何随时间演变的，以及不同条件如何促进或限制宜居性。

研究中的这幅图展示了地球和金星之间一些主要的基本差异。

图片来源：Kane and Byrne, 2024.

地球是个独特的例外，它拥有稳定的气候和地表水，尽管某些气候事件对生命活动造成了严重限制，但它依然保持了数十亿年的宜居性。然而，当我们审视火星时，发现它似乎曾经宜居，但后来却失去了大气层和地表水。实际上，火星的情况在宇宙中可能比地球更为普遍。

在我们对系外行星的演变历史一无所知的情况下，要深入了解它们是一项巨大的挑战。因为我们只能观察到它们在气候和大气演化历史上的某一特定阶段。但值得庆幸的是，数千颗系外行星的发现正在逐步改变这一局面。作者写道：“数千颗系外行星的发现，以及类地行星被确认为最常见的类型之一，为我们提供了一个统计框架，用于研究行星的特性及其演变。”

艺术家对 6.5 亿年前马里诺冰川时期雪球地球的想象图。地球曾经历过极端气候，但现在依然保持着旺盛的生命力。

图片来源：圣安德鲁斯大学。

行星大气中，能够孕育生物化学性质的参数范围相当狭窄，且这些环境往往难以持久。为了深入了解宜居性，我们需要精准地界定这些环境条件的参数。从这一角度出发，金星无疑是一个蕴藏着丰富信息的宝库。

然而，探测金星也是一个巨大的挑战，除了依赖雷达技术，我们难以透过其厚重的大气层窥探其真容。自20世纪80年代苏联的尝试以来，人类再也没有成功在金星表面着陆探测器。大部分尝试都以失败告终，而那些幸存的探测器也未能持续工作太久。缺乏高质量的数据，我们难以窥探金星的演化历史。而造成这一困境的根源，正是金星与太阳之间过近的距离。虽然这看似是一个简单的解释，却给我们的研究带来了巨大的困扰。

凯恩和伯恩对此解释道：“金星是如何演变到目前这种失控的温室状态的，一直是个有争议的话题，传统上人们认为这是由于金星距离太阳更近造成的。”

我们不知道金星为什么会产生温室效应。火山可能起到了一定的作用。它们会排放二氧化碳，而没有海洋和构造板块，金星就无法将碳从大气中排出。

图片来源：NASA/JPL-Caltech/Peter Rubin

当科学家们深入研究金星与地球时，他们发现除了距离太阳的远近，两者间还存在许多根本性的差异。这些差异包括不同的自转速率、倾角和磁场等。这些因素使得我们难以精确衡量太阳辐射对行星的直接影响。

作者的主要观点在于，地球与金星之间的这些差异使得金星成为理解岩质系外行星宜居性的重要参考。他们强调：“金星在行星宜居性的讨论中扮演了关键角色，其进化历程展现了与地球截然不同的道路，尽管两者的起源可能相似。”

作者还指出，地表水是生命存在的基本条件之一。但更重要的是，我们需要探究哪些因素决定了地表水能够持续存在多久。他们写道：“基于这一标准，对行星宜居性的研究应当聚焦于那些能使地表液态水在地质时间尺度上持续存在的条件。”

研究中的这幅图展示了一些可能影响地表水和行星宜居性的因素。

图片来源：Kane and Byrne 2024，美国国家科学院出版社，Ron Pettengill。

地球和金星位于岩质行星宜居性光谱的两端，这是我们从自己的太阳系中汲取的重要经验。因此，作者强调：“……理解金星的演化路径与理解具有宜居性特征的地球路径同样至关重要。”

这两位研究人员详细列举了一些影响地球和金星宜居性的关键因素（如下图）。

这些因素大多无需赘述。CHNOPS 指碳、氢、氮、氧、磷和硫，是维持生命的元素。氧化还原是指元素或分子被还原或氧化并成为生命所需的化学能的潜力。金星的氧化还原环境存在一个问号，这是一个重大的障碍。

图片来源：Kane and Byrne, 2024。

关于金星，我们仍有许多未知之处。例如，它的内核究竟有多大？它是否曾经拥有过水源？一些研究揭示，当金星失去水源，变得完全不宜居时，其大气中却充斥着大量的氧气。若我们在遥远的系外行星上探测到类似高浓度的氧气，可能会错误地将其视为生命存在的迹象。然而，正如作者所指出的："因此，金星在解释明显富含氧气的大气层时起到了警示作用。“

凯恩和伯恩在其研究中提出了行动呼吁，这一观点与近十年来的调查结果相呼应。他们写道：“近十年来的天文学、天体物理学、行星科学和天体生物学调查均强调，深入了解行星的宜居性是天体生物学的基本目标。”作者们认为，金星可以作为实现这一目标的重要基础。

然而，要将金星作为研究行星的范本和基础，科学家们还需解答很多问题。他们需深入研究金星各个层次的大气层，探索其内部，以确定内核的性质和大小。最为关键的是，需要将航天器送至金星表面，以近距离研究其地质状况。简而言之，我们需要在金星上实施与火星类似的探测任务。

鉴于金星环境的恶劣性，这无疑是一项艰巨的挑战。但值得欣喜的是，一系列更深入的金星探测任务正在筹备之中。VERITAS、DAVINCI和EnVision等任务均计划在2030年代执行，它们将为科学家们提供所需的答案。

随着对金星了解的加深，我们也需要对系外行星有更多的认识。作者指出：“研究金星内在特性的一个并行方法是对大量（且仍在不断增加的）系外行星进行统计分析。”

研究中的这幅图将金星带和宜居带表示为恒星有效温度和行星接收到的日照通量的函数。金星带为红色阴影，宜居带为蓝色阴影。左边的图像显示了不同有效温度的主序星。金星的图像显示了位于金星带内的开普勒候选行星的位置，按行星大小缩放。图中还显示了金星、地球和火星等太阳系行星。

图片来源：宜居带画廊/切斯特-哈曼；行星： NASA/JPL. Kane and Byrne, 2024。

我们正处在一个系外行星大发现的黄金时代。截至目前，已确认的系外行星数量已突破5000颗，并且这一数字仍在持续增长。随着技术的进步，我们正通过发射航天器，对最引人瞩目的行星展开更为深入的研究。然而，展望未来，我们可能会面临一个转折点。问题是，我们需要发现多少颗系外行星才能对它们进行合理的分类？1万颗是否足够？还是我们需要更多，比如2万颗，甚至10万颗？

当前，这一领域的一切都是那么新鲜和激动人心，我们对探索未知的热情驱动着我们去发现更多位于宜居带中的岩质系外行星。但长远来看，当边际收益逐渐递减时，我们可能需要重新评估我们的研究策略。此时，正如凯恩和伯恩所指出的，我们或许更应该深入研究金星，了解这颗与地球如此不同却又相似的行星是如何进化的。通过这种方式，我们可以为理解其他系外行星提供更多有价值的参考。

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『天文湿刻』牧夫出品

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