地球有一些奇特之处。数十亿年前，地球上开始了一个在其他任何地方都未曾见过的过程。它彻底重塑了地球的表面以及碳循环，塑造出了新的地貌，并且让我们的家园在数十亿年间保持着适宜的温度和宜居性。这个过程就是板块构造。
在这一过程中，地球不断地吞噬并重塑其岩石外壳板块。人们认为它与宜居性有着千丝万缕的联系，或许还是生命存在本身的一个必要先决条件。倘若没有它，我们的湖泊和河流可能早已冻结或干涸，海洋可能会缺乏养分，地球的气候或许很久以前就会陷入不适宜居住的境地。生命的历程将会艰难坎坷。至少，理论上是这样的。板块构造似乎对地球上的生命至关重要。而另一个事实是，我们尚未发现有其他行星存在板块构造：在太阳系的四颗类地行星中，地球是唯一以这种方式循环其地壳的行星，而且在太阳系之外也未曾发现它存在的确切迹象。
鉴于我们没有可参照对比的对象，很难知晓板块构造是否真的对地球繁茂的生态系统起着关键作用。不过现在，在詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的助力下，科学家们开始探索太阳系外岩质行星的地质情况。虽然要找到一颗存在板块构造的行星难度极大，但如果成功了，这或许将成为解开地球上生命起源之谜以及知晓在宇宙何处寻找外星生命的关键所在。
板块构造——地球生命的依靠
牛津大学的托比亚斯·迈尔表示，尽管外星生命没有板块构造或许也能存活，但“我们确实知道，在地球上，板块构造无疑让生命更有可能发展”。如果把地球比作一艘宇宙飞船，那么板块构造就是它的生命维持系统：集循环过程与恒温调节功能于一体。它描述了地球的岩石外层是如何破裂成一块块拼图状的碎片——即构造板块——这些板块在黏糊糊、像糖浆一样的地幔上漂移的情况。在地幔的热物质上涌、板块分离的区域，熔岩会沿着裂谷从火山中喷发而出，形成新的陆地。当板块相互碰撞时，其中一块可能会滑到另一块下方，将冰冷、致密的物质挤入地幔之中。
海洋生物依赖于从大陆侵蚀而来的养分，而陆地生物反过来又依赖于海洋的肥力。但一些科学家认为，如果没有板块构造来形成大陆地壳并不断推挤出新的山脉，随着陆地变得越来越平坦，侵蚀作用将会减缓，海洋就会缺乏关键养分。
话说回来，如果没有板块构造，我们可能根本就不会有液态水。它控制着地球的“自然恒温器”—— 碳酸盐-硅酸盐循环，该循环历经数百万年对地球的温度起着调控作用。在这个循环中，大气中的二氧化碳与水以及新裸露的岩石发生反应，最终通过板块构造被吞入地幔，之后再由火山喷发出来。它对于调节大气中的二氧化碳含量进而调控地球温度起着至关重要的作用。
碳酸盐-硅酸盐循环在过去一直是地球的救星。据信，它曾多次将地球从气候灾难中拯救出来，其中包括至少两次“雪球地球”时期（整个地球被冰雪覆盖）以及多个几乎使所有生命灭绝的温室期。如果人类导致的气候变化最终酿成灾难，或许数百万年后正是这个循环能让我们的地球得以修复。
遥远的世界——系外行星地质学
或许其他更为遥远的星球也有着类似的生命维持系统——如今，研究系外行星板块构造等地质过程的大门正在缓缓开启。例如，在过去两年里，詹姆斯·韦伯太空望远镜已经开始以前所未有的细节揭示少数几颗岩质行星的情况。
实事求是地讲，我们距离在其他星球上发现板块构造可能还有很长的路要走，就如同我们距离探测到外星生命的确切迹象也还很遥远一样。不过，得益于新的数据和技术，科学家们正朝着一个全新的前沿领域迈出大胆的第一步：系外行星地质学。
LHS 3844 b
如果我们想要找到板块构造——或者至少是一种奇特的外星等效构造——我们就必须把目光投向太阳系之外。首个可能展现其构造特征的行星或许是一颗名为LHS3844b的行星，它围绕着一颗距离我们约49光年的小型暗星运转。“我真的很兴奋，”马萨诸塞州哈佛-史密森天体物理中心的塞巴斯蒂安·齐巴说道，他正牵头一项研究这颗系外行星岩石表面的工作，“这真的很棒，尤其是考虑到这些行星距离我们如此遥远，而我们居然真的能开展相关研究。”
LHS3844b于2018年被发现，它是一颗比地球稍大一点的岩质行星，其与恒星的距离很近，公转周期仅为12小时。这种紧密的轨道也导致这颗行星被潮汐锁定：其一个半球始终朝向太阳，而另一个半球则永远处于黑暗之中，这使得其昼半球和夜半球之间的温差达到了约770摄氏度。很难想象还有比这更像外星环境的地方了。但迈尔表示，像这样的行星在我们的银河系中似乎相当常见。而且与围绕类日恒星运行、类似地球的行星不同，这类“超短周期”系外行星——有着快速公转轨道的行星——由于相对较亮且频繁地从其恒星前方经过（便于观测），所以是詹姆斯·韦伯太空望远镜的理想观测目标。
“所以，我真的很想弄清楚：它们有可能存在板块构造吗？或者它们会处于什么样的构造状态呢？”迈尔说道。2021年，他和他的团队利用基于观测结果的计算机模型表明，LHS3844b可能存在一种由行星昼半球和夜半球之间巨大温差驱动的新型外星构造：半球构造。
“我们所说的基本上就是一侧有热物质上涌，而另一侧有冷物质下沉到地幔之中，”迈尔说道。他表示，半球构造在其他被潮汐锁定的星球上可能也很普遍。迈尔的团队已经发现至少还有一颗行星可能以类似的方式循环其地壳。尽管LHS3844b的构造会比地球的构造更不均衡，但一个破碎且可移动、分裂成板块的地壳至少也算是一种板块构造形式，这可比金星、水星或火星要强多了。
存在板块构造的行星
我们目前还无法直接探测到其他星球上的构造板块，但我们或许仍能通过间接线索来寻找它们。一种可能的迹象来自特定的火山活动模式。这是因为一颗行星的构造状态决定了物质在其内部的运动方式，而这会对火山活动产生巨大影响。例如，在地球上，火山往往沿着板块边界喷发，在板块内部喷发的情况则很少见。所以，尽管火山活动本身并不能确凿证明板块构造的存在，但火山活动中的某些特定模式却可以作为证据。如果LHS3844b确实存在半球构造，迈尔预测这颗行星的一侧火山活动会远比另一侧活跃。
“（这些模型）对火山活动如何取决于昼半球温度和夜半球温度做出了可检验的预测，”荷兰格罗宁根大学的蒂姆·利希滕贝格说道，他还指出火山活动也会受到行星的大小和成分的影响，“从长远来看，我们的想法是能够检验系外行星上板块构造运作的一些基本原理。”
可惜的是，探测系外行星上的火山活动并不像用望远镜对准一颗岩质行星然后寻找发光的熔岩区域那么简单。与它们的恒星相比，岩质系外行星太小且太暗，就连詹姆斯·韦伯太空望远镜也无法直接观测到它们。为了了解这些星球上正在发生的情况，科学家们需要巧妙地另辟蹊径。
一般来说，科学家通过筛选恒星的光线来了解系外行星的情况。一种方法是观测行星从其恒星后方经过时的情况，此时由于行星散发的热量所产生的光线被遮挡，恒星看起来会变暗。通过分离出这部分微弱的光线，科学家们可以测量行星的温度，并寻找其表面可能指向火山活动的模式。
然而，“我们现在讨论的是詹姆斯·韦伯太空望远镜精度的极限问题，”利希滕贝格提醒道，“进行这些测量难度极大。”他和其他研究人员仍在尝试进行相关测量，但与此同时，还有其他线索可供追寻。这是因为火山不仅会释放热量，还会向行星的大气中喷出气体——而我们或许能够探测到这些气体。
“类地外行星”LP791-18d
我们首次有望探测到外星火山气体的机会可能来自凉爽的“类地外行星”LP791-18d。加拿大蒙特利尔大学的比约恩·本内克正牵头一个詹姆斯·韦伯太空望远镜项目，旨在确定这颗行星是否被富含二氧化碳的火山性大气所环绕。本内克表示，LP791-18d陷入了其恒星与一颗邻近的大质量行星之间的引力拔河之中，由此产生的潮汐力会从内到外加热LP791-18d，从而引发强烈的火山活动。
这有点类似于木星的卫星木卫一的情况，木卫一上布满了数百座活火山。“木卫一是太阳系中火山活动最活跃的天体，而这颗行星LP791-18d所处的情况与之非常相似，”他说道。实际上，如果能探测到这颗奇特行星的火山活动，那就可以证实我们能够在其他行星上发现火山，而火山在其他行星上可能是板块构造的一个迹象。
借助合适的工具，科学家们最终或许能够开始在岩质行星的大气中寻找特定火山气体的化学特征。加利福尼亚大学河滨分校的科尔比·奥斯特伯格及其同事去年发表的研究成果探讨了利用像“宜居世界天文台”（美国国家航空航天局计划在21世纪40年代初步打算发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜的后继望远镜）这样的望远镜，是否有可能探测到类地系外行星上火山活动在大气中的特征迹象。
曾有一段时间，火山活动最有希望的潜在特征迹象似乎是二氧化硫，它可以作为近期火山喷发的确凿证据。但研究人员发现，它的信号会被大气中的臭氧气体信号所掩盖。不过，随着时间推移，二氧化硫会消耗臭氧，所以臭氧含量的波动反而可以指向火山活动。
或许也有可能探测到火山烟雾，它会暂时遮蔽大气中的其他特征。“如果你在一年的时间跨度内进行一系列观测，那么你或许就能推断出是否存在火山活动，”奥斯特伯格说道。
行星表面的岩石诉说的信息
我们还有另外一种可能获取行星构造状态线索的方法：弄清楚它是由什么构成的。当詹姆斯·韦伯太空望远镜排除了包括很有希望的LHS3844b在内的几颗行星存在大气的可能性时，“很多人都很失望，”迈尔说道，“但我们真的应该把这视为一个机会。如果这些行星没有大气，那基本上就给了我们直接探测其表面的途径。”
行星表面的岩石可以告诉我们地下深处正在发生的情况
“如果生活给了你柠檬，那就把它做成柠檬水——或者如果大自然给了你无大气的行星，那就想想能拿它们做些什么，”德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所的劳拉·克雷德伯格说道。在这种情况下，我们可以研究其表面的岩石。无论在哪里，岩石都能讲述一段故事。玄武岩是一种黑色岩石，在夏威夷和冰岛的地貌中占主导地位，它是地球上熔岩在地表冷却时形成的。呈绿色调的橄榄岩构成了地球地幔的大部分。而花岗岩——它构成了地球大陆的主体，但在太阳系的其他地方几乎不存在——是在岩石经过反复熔化和循环（就像在板块构造过程中那样）时形成的。
由于岩石有望向我们讲述遥远世界的历史，研究人员已经在尝试确定某些无大气行星表面主要是哪种岩石。LHS3844b格外引人关注，因为它很热，但又没热到处于熔融状态——所以它的热辐射对于一颗岩质行星来说是尽可能容易被探测到的。这种热辐射的成分可以告诉研究人员存在哪种岩石，甚至能暗示岩石的质地。
值得注意的是，这甚至可能让我们首次对LHS3844b的地貌轮廓有所了解。齐巴目前正在分析詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据，以确定这颗行星的表面是光滑的（意味着近期有火山活动使其更新），还是由易碎、类似碎石的风化层构成的。在太阳系中，当岩石天体长时间暴露在太空、遭受撞击以及太阳风的轰击时就会形成风化层。如果LHS3844b的表面是由风化层构成的，那将是其表面古老的一个有力迹象——这对板块构造来说可不是个好兆头。
诸如此类的研究是我们迈向全新的系外行星地质学领域的第一步，旨在努力了解外星岩质星球的内部和表面情况。“对于岩质行星，我们只是刚刚触及有待了解的知识的皮毛，”克雷德伯格说道。
独一无二的存在？
但如果我们想要弄明白地球为何宜居，我们几乎肯定需要在其他地方找到板块构造。它似乎是地球宜居性等式中的一个关键部分，在其他地方可能也很重要。但在我们有更多星球可供研究之前，我们无法确定这一点。“我不确定仅通过研究地球，我们是否能弄清楚地球上板块构造是如何开始的，”奥斯特伯格说道，“我认为这就是系外行星真正有价值的原因所在。”
“找到另一颗存在板块构造的行星，其难度堪比寻找外星生命，甚至可能更难，“本内克说道，”因为地质过程的迹象往往比生命迹象更模糊不清。在这两种情况下，我们都是在寻找那些我们在地球上尚且无法完全解释清楚的外星现象实例。尽管经过了数十年的研究，生命起源和板块构造的起始问题都还不是定论。找到后者或许恰恰有助于我们理解前者。“
就我们目前所知，地球构造板块的缓慢运动可能与覆盖在其上的脆弱生物表层一样独特——独一无二。或许也并非如此。就像寻找外星生命一样，寻找真正存在板块构造的类地行星将是一个漫长的过程，是未来几代望远镜以及或许未来几代研究人员的任务。但这是一段我们终于已经开启的旅程。
