我們的星球處於不斷變化之中。構造板塊——將地球地殼分割開來，使其看起來像裂開的雞蛋殼的大塊岩石——以陣發性的方式相互推擠，不斷地重塑著我們的星球，並可能孕育生命。
這些板塊相互碰撞，形成山脈。它們彼此分離，孕育出新的海洋，這些海洋可以生長數億年。它們擦身而過，引發震天動地的地震。它們還在一個被稱為俯衝的過程中，滑入地球內部深處，產生火山，向大氣中噴射氣體。地球不僅充滿生機，而且是生命的容器。因為它是已知唯一同時擁有板塊構造（構造板塊持續運動）和生命的行星，許多科學家認為兩者可能有關聯。事實上，一些研究人員認為，板塊運動能夠幫助調節行星數十億年來的溫度，是生命的關鍵要素。
這種聯絡引發了一個誘人的可能性，即如果科學家能夠找到會震動和轟鳴的系外行星，他們也許能夠在我們這顆暗淡藍點之外找到生命。因此，亞利桑那州立大學的天文學家卡曼·溫特伯恩著手確定遙遠的系外行星發生板塊構造的可能性。在他和同事於7月3日釋出在預印本伺服器arXiv上，目前正在接受同行評審的一篇論文中，他們發現大多數系外行星可能無法長期維持板塊構造。他們的結果仍然不確定，因為科學家們並不完全瞭解地球上的板塊構造是如何開始的（更不用說其他行星上的板塊構造了），但他們確實認為，即使這個過程開始了，也可能不會持續下去。這意味著地球不僅是太陽系中已知唯一擁有移動板塊的行星（儘管一些最新證據表明水星也可能如此），它也可能是銀河系中少數這樣的行星之一。“如果你確實需要板塊構造[才能有生命]，這篇論文聽起來是個壞訊息，”韋伯州立大學的天文學家約翰·阿姆斯特朗說，他沒有參與這項研究。儘管如此，天文學家懷疑銀河系中點綴著多達 400 億顆潛在的可居住的地球大小的行星。即使只有三分之一的行星能夠維持板塊構造（正如溫特伯恩的研究表明的那樣），阿姆斯特朗說，這些大約 130 億顆行星“仍然是很多可能存在可居住的世界！”
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但是，板塊構造對生命究竟有多重要？線索可以從我們自己星球的歷史中找到。大約 25 億年前，太陽非常寒冷，以至於地球的液態海洋本應凍結成類似雪球的狀態——但事實並非如此。科學家認為，充當全球恆溫器的板塊構造可能是我們的救星，因為它創造了火山，向大氣中噴射二氧化碳，幫助大氣層保持更多熱量。然後，隨著太陽變得越來越亮和越來越熱，降雨從大氣中洗刷掉二氧化碳，板塊構造隨後將其俯衝到地球地幔（地核上方的熱岩層）中，將其鎖定起來。正是這個以百萬年為時間尺度的迴圈，幫助地球的溫度保持穩定，足以支援生命。
然而，地球的例子並不能證明板塊構造是生命的必要條件。畢竟，行星可以在沒有板塊構造的情況下進行地質活動。看看火星就知道了，它擁有太陽系中最大的火山。然而，那座火山不再轟鳴作響。事實上，大多數曾經進行過地質活動的太陽系行星（甚至矮行星和衛星）現在都已沉寂。如果沒有板塊構造，火山活動會迅速衰退（但也有一些值得注意的非構造例外，例如木星的木衛一和土星的土衛二）。因此，火星上數量眾多但已熄滅的火山無法向大氣中噴射二氧化碳，這使得今天的這顆紅色星球非常寒冷。這些例子表明，板塊構造——尤其是長期存在的板塊構造——是調節行星溫度的最佳方法，因此是生命雞尾酒中的有用成分。
滑動的板塊
最新的研究似乎與之前一些關於系外行星是否會像地球一樣震動的調查相矛盾。2007 年，當時在哈佛大學的行星科學家戴安娜·瓦倫西亞得出結論，超級地球（比我們地球更大的岩石行星）非常有可能發生板塊構造，這幾乎是不可避免的。由於質量比地球大的行星會從最初的形成中保留更多的內部熱量，並且由於熱量驅動板塊構造（透過地幔內岩石的沉降和上升的傳送帶），因此在這樣的行星上，板塊活動應該會延長。問題是瓦倫西亞的研究（以及後來的許多研究）只分析了一個引數：行星的大小。溫特伯恩的研究是首批基於行星成分來探討板塊構造的研究之一。
為了進行這項分析，溫特伯恩和他的同事需要確定系外行星的化學成分可能是什麼樣的。儘管天文學家目前可以解讀系外行星大氣中的元素，但還沒有辦法深入瞭解系外行星的岩石內部——但很快就會有辦法了。因此，溫特伯恩和他的團隊轉向行星的宿主恆星。由於恆星及其行星是由相同的旋轉塵埃和氣體盤構建而成，因此它們往往由相同的物質構成。研究人員觀察了近 1500 顆恆星（包括開普勒太空望遠鏡觀測到的 123 顆已知有系外行星環繞的恆星），然後使用計算機模型來發現這些不同成分的岩石會對行星內部形成的高溫和高壓做出怎樣的反應。
一旦他們從地球化學的角度瞭解了系外行星的地幔和地殼可能是什麼樣子，科學家們就能夠確定該系外行星的地殼是否足夠緻密，可以像地球的海洋板塊在卡斯卡迪亞俯衝帶（北美 1000 公里長的火山鏈，是當一個板塊深深潛入另一個板塊之下時形成的）等地那樣沉入地幔中。進行計算需要嚴格的建模：隨著板塊下降過程中壓力和溫度的升高，板塊中的原子會發生重組，從而使板塊變得更緻密。如果板塊仍然比周圍的地幔更緻密，那麼板塊將繼續下沉。如果是這種情況，板塊構造可能會持續數十億年。但如果情況並非如此，板塊停滯不前，那麼板塊構造就會停止，從而削弱生命的機會。
就宜居性而言，結果描繪了一個相當令人沮喪的景象：至少三分之二的模擬行星形成的地殼過於浮力，無法下沉。“如果發生俯衝，並且[板塊]要下降，它只會彈回，”溫特伯恩說。“這就像試圖將內胎推入水下。”如果這些板塊在移動，它們可能會相互碰撞並向上擠壓，形成像喜馬拉雅山脈一樣高的山脈，溫特伯恩說。但是，一個板塊永遠不會俯衝到另一個板塊之下，以去除過量的二氧化碳或形成向大氣中噴射更多二氧化碳的火山。因此，行星將無法調節自身的溫度，並且很容易升級為一個類似於雪球或桑拿的世界。
系外地質學的新領域
結果突顯出行星的宜居性不能僅由金髮姑娘區來定義——金髮姑娘區是指行星系統中行星與恆星的軌道距離既不太熱也不太冷的那片宜居帶。密度也不能單獨決定什麼是“類地”行星。“在行星方面，密度並非命運，”溫特伯恩說。“地球遠不止是太陽系宜居帶中一顆質量為一個地球質量、半徑為一個地球半徑的行星。”回想一下 25 億年前：除非外星天文學家考慮到地球的地質情況，否則地球不會被認為是適宜居住的。
賓夕法尼亞州立大學的地質學家布拉德福德·弗利沒有參與這項研究，他同意該論文的最終觀點——大多數岩石系外行星可能無法發生板塊構造——但他認為，更精細的細節，例如這些行星的確切百分比，目前還無法確定。“我會對大局觀以外的一切都持保留態度，因為其中存在不確定性，隨著更多研究的出現，這些不確定性可能會發生變化，”他說。
弗利指出，這些不確定性之一是地質學家仍在爭論板塊構造是如何在地球上點燃的，以及是什麼力量在今天繼續驅動它。問題是，即使板塊足夠緻密可以沉入地幔，岩石圈（行星堅固而剛硬的外殼）也必須首先破裂。但是，是什麼原因導致岩石圈破裂是該領域爭論的焦點。溫特伯恩透過尋找可能能夠持續數十億年板塊構造的行星來回避了這個複雜的問題——前提是板塊構造首先開始。弗利同意這是一個聰明的變通方法，溫特伯恩認為，從科學的角度來看，這更有趣，因為我們更有可能在生命進化了數十億年的地方找到生命。但是，板塊構造神奇地開始的假設確實表明，即使是適當的元素雞尾酒也不能保證表面會發生移動和轟鳴。儘管如此，溫特伯恩認為，這確實最大限度地提高了我們找到板塊構造以及生命的機率。
溫特伯恩將這項工作視為一個新領域向前邁出的一步——一個地質學與天文學在新學科中相遇的領域，人們可以稱之為系外地質學——這個領域始於 10 年前瓦倫西亞的論文。就在上週，弗利、溫特伯恩和同事向 NASA 天體生物學研究所提交了一份提案，以進一步評估不同成分的材料在高壓和高溫下的反應。雖然溫特伯恩的研究是基於理論計算，但新的團隊希望在實驗室中合成這些岩石，並實際將它們置於這些條件下。這將使他們能夠描繪出更準確的圖景，甚至探索改變成分可能會如何使岩石圈破裂——岩石圈破裂是啟動板塊構造的另一個重要標準。“我認為這絕對是未來，”溫特伯恩說。“我很高興能站在最前沿。”