費英偉和他的同事們花了一個月的時間仔細製作了三片緻密的矽酸鹽薄片——每片都閃閃發光，呈圓形，厚度不到一毫米。但在 11 月初，是時候說再見了。費仔細地將樣品，以及一些備用樣品，用泡沫包裝好，從華盛頓特區運到新墨西哥州的阿爾伯克基。在那裡，桑迪亞國家實驗室的 Z 脈衝功率裝置很快就會向這些薄片傳送 2600 萬安培的電流，將它們逐一炸成塵埃。
Z 機器可以複製核武器爆炸內部的極端條件。但費英偉是華盛頓特區卡內基科學研究所地球物理實驗室的一位高壓實驗地質學家，他有一個更超凡的目標：他希望探索布里奇曼石（一種在地球表面深處發現的礦物）在太陽系以外較大的岩石行星內部的更高溫度和壓力下的表現。
這項實驗是外行星地質學的一個小貢獻：一個研究領域將天文學家、行星科學家和地質學家聚集在一起，探索系外行星在地質學上的可能面貌。對於許多科學家來說，外行星地質學是尋找可能支援生命的星球的自然延伸。天文學家已經發現了數千顆系外行星，並收集了它們的一些重要統計資料，包括質量和半徑。那些在宜居帶（或“金髮姑娘”帶）中執行的行星——即圍繞主恆星的區域，溫度足以使水以液態形式存在——被認為特別適合生命存在。
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但亞利桑那州立大學在坦佩的外行星地質學家凱曼·翁特伯恩說，地球擁有的遠不止其大小、質量和有利的軌道。例如，它翻騰的熔融核心會產生並維持一個磁場，從而保護地球脆弱的大氣層免受太陽風的侵襲。板塊的運動透過在岩石和大氣之間迴圈二氧化碳來幫助調節全球溫度。系外行星的發現不斷湧現。但翁特伯恩說，天文學家“現在才意識到，‘好吧，等等，我們想對這些系統有更多的瞭解，而不僅僅是收集郵票’”。“將地質學納入其中是一個自然因素。”
研究人員正在使用模擬和實驗（如費在 Z 機器上進行的實驗）來了解哪些型別的系外行星可能具有類似地球的地質結構。這項工作可以幫助研究人員確定優先研究哪些系外行星。
但該領域面臨著一些挑戰，其中最重要的是地球地質學的許多方面仍然籠罩著謎團——例如構造活動最初是如何以及何時開始的。“這是一項改變地質學的基本發現，”卡內基研究所的地球化學家理查德·卡爾森說。“但我們仍然不知道它為什麼會這樣運作。”更重要的是，證實一顆系外行星實際上擁有類似地球的地質結構可能很困難；天文學家很少直接觀察這些行星，即使他們觀察到，該行星在其影像中也可能只有一個畫素的大小。
即使是間接證據——或最微小的暗示——表明存在地質活動，也可以讓研究人員更全面地瞭解這些遙遠的世界，以及哪些是尋找生命跡象的最佳候選者。“這就像你偶然發現了一個巨大的犯罪現場，但只有很少的證據，”麻省理工學院的宇宙物理學家薩拉·西格說。“你會竭盡全力地利用僅有的證據，並試圖以某種方式將它們拼湊起來。”
向外探索
系外行星科學最令人興奮的目標之一是超級地球。這些岩石行星的質量高達地球的十倍，在太陽系中沒有同類。但現在已知它們在銀河系中非常普遍，並且由於許多行星都相當大，因此它們可能比地球大小的行星更容易成為詳細觀測的目標。
大約十年前發表的早期超級地球地質研究，研究了這些行星如果只是地球的放大版會是什麼樣子。但 2004 年首次發現的灼熱行星 55 Cancri e，突顯了超級地球可能大不相同的觀點。2011 年的觀測顯示，這顆行星的半徑約為地球的兩倍，質量約為地球的八倍多一點，平均密度僅略高於地球，這提出了一個難題。
如果 55 Cancri e 像地球一樣擁有鐵核和矽酸鹽地幔，那麼考慮到它的大小，它應該更重。包裹在整個行星周圍的海洋會將 55 Cancri e 的密度降低到與地球相似的水平。但該行星太熱，無法長時間存水；它離其主恆星太近，以至於白天溫度約為 2500 開爾文。
解決方案出現在 2012 年，當時時任康涅狄格州紐黑文耶魯大學的天文學家尼克·馬杜蘇丹和他的同事決定採用一種新的方法。之前的研究表明，該行星的主恆星的碳氧比遠高於太陽。恆星及其行星由相同的塵埃和氣體旋渦盤構成，因此假設 55 Cancri e 也富含碳似乎是合理的。當馬杜蘇丹在他的行星內部模型中考慮這種碳時，它與該世界的質量和半徑相匹配。“這是一個啟示，”馬杜蘇丹說，他現在在英國劍橋大學工作。而這樣的世界將是真正的外星世界。馬杜蘇丹懷疑它的地殼可能以石墨為主；在行星內部，壓力可能會將大量的碳元素壓成鑽石。“與我們在太陽系中看到的相比，它看起來會非常極端，”他說。
一顆由鑽石構成的行星會激發人們的想象力，儘管 55 Cancri e 的主恆星可能實際上並不像人們想象的那麼富含碳。即使如此，天文學家也警告不要假設行星的組成與主恆星的組成相匹配。西格指出，這個想法不能很好地解釋太陽系中行星的多樣性。“在這一點上，這是一個合理的推斷，但我認為重要的是要意識到它並非鐵板釘釘，”耶魯大學的天文學家格雷戈裡·勞克林說。
建造系外行星
外行星地質學家已經接受了這種不確定性，並盡力確定遙遠的世界是如何形成和演化的。為了從起始元素的列表過渡到地質學，科學家需要知道會形成哪些礦物，它們何時融化以及它們的密度如何隨壓力和溫度變化。這些資料可以用來模擬行星如何從一個未分化的熔融球發展成分層結構，隨著行星冷卻，礦物形成並沉沒或漂浮。“我們可以建立一個礦物學的，讓我們說，行星最初樣子的洋蔥皮模型，”阿姆斯特丹自由大學的地質學家威姆·範·韋斯特雷寧說。然後，他說，研究人員可以使用數值模型來預測該行星將如何演化，以及物質的遷移是否足以驅動板塊構造。
為了收集資料來支援這些模型，地質學家開始將合成岩石置於高溫高壓下，以複製系外行星的內部結構——就像費和他的同事們正在做的那樣。雖然這些實驗的目標是新的，但方法並非如此。幾十年來，實驗岩石學家已經建造了儀器來模擬地球內部的條件，從地表以下幾釐米到地球核心的任何地方。許多人使用一種稱為金剛石砧盒的裝置。該裝置透過將兩個寶石級鑽石的鈍尖推在一起擠壓材料。在樣品承受壓力的同時，可以使用雷射加熱它。與此同時，實驗人員可以用 X 射線轟擊材料，以研究其晶體結構，並探索材料在被推到高溫高壓下時如何變化。
包括亞利桑那州立大學礦物物理學家沈尚憲和他的同事在內的研究小組已經使用此過程擠壓可能反映 55 Cancri e 組成的富碳樣品。這項工作揭示了富含被稱為碳化物的含碳化合物的行星如何傳遞熱量，以及它們與像地球這樣以矽酸鹽為主的行星有何不同。
碳不是唯一令人感興趣的元素。翁特伯恩指出，鎂、矽和鐵是影響行星整體結構的“三大元素”，它們會影響地幔中的熱流以及行星核心的相對大小——從而分別影響板塊構造和全球磁場的存在。這些元素在恆星中的比例差異很大。太陽每有一個矽原子就有一個鎂原子；在其他恆星中，該比例的範圍為 0.5 到 2。這種差異似乎很小，但如果行星中存在相同的比例，它們可能會極大地影響地質。
大多數教科書認為，富含鎂的岩石會比高濃度矽的岩石更軟——以至於在富含鎂的世界行走可能感覺像在泥濘上行走。沈使用金剛石砧盒對具有不同鎂矽比的岩石進行的研究表明，這些世界的岩漿儲量也可能比富矽行星更深，因此火山爆發更具災難性。但沈指出，其他引數（如礦物中水的濃度）也必須考慮在內。
高壓
使用兩個鑽石，沈可以施加不超過 400 吉帕斯卡的壓力，略高於地球核心的壓力。為了探測超級地球的內部，他求助於世界上最亮的 X 射線雷射器：位於加利福尼亞州門洛帕克的 SLAC 國家加速器實驗室的線效能量相干光源。該儀器可以在樣品內部產生衝擊波，產生高達 600 吉帕斯卡的壓力——足以模擬質量是地球兩倍的行星的核心。
地質學家還在使用其他大型設施來探測潛在的系外行星結構。Z 機器可以達到 1000 吉帕斯卡——這是質量接近地球三倍的行星內部的預期條件。在法國帕萊索和日本大阪的雷射裝置可以達到類似的範圍。一些研究人員已經求助於加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置，該裝置用於研究核聚變，可以將樣品承受高達 5000 吉帕斯卡的壓力，這相當於木星深處的壓力。這些實驗仍處於初步階段，因為研究人員爭奪這些設施的時間，並慢慢積累各種基本化合物的資料。
最終，外行星地質學家希望找到正確的元素組合，以建造具有類似地球地質結構的系外行星。“我想確定成分的宜居帶，”哥倫布市俄亥俄州立大學的地質學家溫迪·帕內羅說。“什麼是岩石成分的不過於軟、不過於硬的宜居帶？”
答案可能並不明確。即使完全瞭解成分，也未必能讓地外地質學家深入瞭解行星的狀態。例如，地球早期歷史上沒有板塊構造，而且預計也不會永遠存在。而它的鄰居金星則顯示了行星演化可能出現多麼大的差異。金星的質量、半徑、成分以及與太陽的距離與地球相似。但地球孕育了生命，而籠罩在二氧化碳霧霾中的金星卻一片死寂。科羅拉多大學博爾德分校的地質學家斯蒂芬·莫吉茲斯認為，地球板塊構造的喪失最終會導致它變得像其過熱的兄弟星球一樣。“這是不可避免的，”他說。“我們只是不確定這會在何時發生。”因此，儘管大多數早期的系外行星模型都側重於成分，但地外地質學家最終可能不得不考慮其他因素，例如數十億年的行星演化。
一些人期望這項工作能夠幫助天文學家確定在尋找生命時應該將哪些行星作為目標。如果科學家們知道維持數十億年磁場所需的條件，或者在地幔中驅動對流所需的元素比例，他們就可以建議他們的同事仔細研究那些符合這些標準的星球。然後，天文學家可以將強大的望遠鏡，例如美國宇航局計劃於2019年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，對準那些行星，以搜尋它們的大氣層中是否存在外星生命潛在的跡象。
從遠處發現地質活動也可能是可行的。例如，大氣中硫的瞬時峰值可能間接證明存在活火山。當行星旋轉時，反射率的變化可能暗示著大陸和海洋的存在，這也可能表明存在構造活動。
已經有人討論過可能探測到火山活動——在巨蟹座55 e行星上。2016年，伯爾尼大學的天文學家布萊斯-奧利維爾·德莫里和他的同事們利用美國宇航局的紅外斯皮策太空望遠鏡繪製了該行星的第一張熱圖。這顆行星被潮汐鎖定在其恆星上，因此一個半球永遠沐浴在陽光下，而另一個半球則處於黑暗之中。這顆行星最熱的地方應該離恆星最近，但德莫里和他的同事們發現，最熱點似乎是偏移的。他們認為，流動的熔岩正在帶走熱量（儘管最近的研究認為風可能才是造成這種情況的原因）。
很明顯，巨蟹座55 e不是生命宜居之地。但其他星球可能更具吸引力。今年早些時候，溫特博恩完成了一項研究，研究了1000多顆類似太陽的恆星。透過它們的成分，他確定其中三分之一的恆星可能擁有行星，其地殼密度足以沉入地幔——這一過程可能使板塊構造持續繁榮數十億年。
儘管研究人員才剛剛開始探索系外行星的地質，但卡爾森指出，對這些星球的研究已經產生了一些驚喜，尤其是一些行星似乎經歷了從原始軌道的大幅度遷移的證據。這一發現促使天文學家重新思考太陽系的演化，並推測類似的運動可能幫助將水冰等物質帶到了地球。“我不認為人類的想象力和創造力能與大自然相提並論，”卡爾森說。“所以，瞭解那裡的多樣性將開啟我們的視野，讓我們看到其他的可能性。正是這些其他的可能性將幫助我們更好地瞭解自己的處境。”
本文經授權轉載，並於2017年12月6日首次發表。