像生命一樣,地球上的岩石也在演化和“物種化”。熱量、水和氧氣驅動著新礦物的產生——早期的碰撞、熔化和火山活動提供了必要的熱力。板塊構造透過將地殼元素和礦物質推向新的壓力條件來提供幫助。值得注意的是,我們星球如今的大部分礦物多樣性都要歸功於地球上的生命形式和生物過程。大約23億年前,新形成的細菌將二氧化碳大氣轉變為以氧氣為主的大氣。增加的氧氣反過來與行星表面的礦物質相互作用,而這些礦物質又反過來與不斷演化的生命相互作用。這種轉化和重組今天仍在繼續。
華盛頓特區卡內基科學研究所的羅伯特·黑曾在《大眾科學》的2010年專題文章“礦物質的演化”中闡述了礦物學中的這種正規化轉變。他和他的同事們建立了礦物質演化的時間線,從而確定地球的礦物質種類隨著行星的變化而變得更加多樣化。最終,與生命的相互作用為地球最初20億年間形成的約1500種礦物質目錄增加了2500多種新礦物質。
現在,黑曾和他的同事們將他們的時間線應用到其他行星和衛星上的礦物質,這些礦物質的種群可以提供對過去和現在宜居性的見解。正如地球上的礦物質與地球及其生命共同進化一樣,它們在太陽系內外其他天體上的存在或缺失可能表明行星在生物進化方面的地位,以及它們是否曾經能夠支援生命。黑曾在4月份於太空望遠鏡科學研究所 (STScI) 舉行的“跨越時空的可居住世界”研討會上詳細介紹了他的最新研究。
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開普勒太空飛船和其他望遠鏡在過去四年中發現的新行星數量激增,使得此類研究更加引人入勝。“這完全改變了我們對行星演化的看法,因為它意味著我們可以研究它們近地表的礦物學,並瞭解生物學,”黑曾說。
黑曾說,在一兩代人的時間內,下一代太空望遠鏡解析度的提高可能會使我們能夠研究系外行星上礦物質和其他特徵發出的光波。火星上的軌道飛行器和探測車已經在執行這項任務,以在那裡定位礦物質。這些儀器可以發現與地球上相似的礦物成分,或者發現截然不同的成分,因為獨特的區域性過程相互作用以產生以前未知的礦物種類。例如,土星的衛星土衛六是一個擁有甲烷大氣層的行星大小的天體,被認為是太陽系中最有可能宜居的地方之一。它擁有甲烷/乙烷池,這些池在蒸發後會留下鹽狀的晶體沉積物,這與地球上發現的任何沉積物都完全不同。
如果在地球上需要生化過程才能形成的礦物質可以在太陽系或其他行星上被探測到,那麼它們的存在有可能表明一顆行星在過去的某個時候支援過生命。對系外行星上礦物質的任何遠端探測都將取決於大型構造的存在,但地球上存在的大規模露頭為我們提供了希望。例如,在摩洛哥,碳酸鹽巖可以覆蓋數百平方公里。黑曾說,如果太空望遠鏡上的畫素解析度足夠精細,可以探測到大約130平方公里的區域,那麼科學家們或許就能夠探測到來自地球的此類訊號。
參加了黑曾講座的STScI的彼得·麥卡洛指出,發現與地球生命過程相關的礦物質將引發關於它們是在與生命相關的過程中進化而來,還是在新的環境中獨立進化的討論。
雖然在其他天體上,以熱和水為主導的過程應該相當相似,但在地球上驅動新礦物產生的第三種力量是其含氧大氣,黑曾說,這創造了一些最色彩斑斕、最美麗的礦物質。參加了黑曾講座的SETI研究所和美國宇航局艾姆斯研究中心的開普勒科學家克里斯托弗·伯克說,為了讓這種礦物質存在於另一個擁有不同大氣層的行星上,就需要另一種從近地表岩石中剝離電子的化學方法。“如果我們沒有發現生命,”他補充道,“也許我們可以找到一些礦物質,表明該行星的(礦物)進化達到了某個階段,但並沒有完全達到我們在地球上達到的程度。”