外星火山 - 知猫

刘声远

一颗系外行星及其表面火山（想象图）

站在夏威夷基拉韦厄火山顶望向火山口，就算离火山口边缘好几千米远，依然能看见橘红色液体从火山口喷涌而出。那惊人的场面可能会让你觉得：如此壮丽的火山，恐怕只有我们的地球才能创造吧？说到令人印象深刻的火山，基拉韦厄只是其中之一。仅在2020年这一年中，地球上就至少有60次火山爆发。在人类有能力探测外太空之前，许多人都认为在太阳系中只有地球上有火山。换言之，太阳系其他地方从地质学上讲都是死寂的。

夏威夷的基拉韦厄火山

我们现在知道，这种认识大错特错。已有证据表明，在地球之外那些最意想不到的地方存在着各种奇异的火山。例如，土星的卫星喷射水柱，冥王星上有冰火山。不仅如此，就算是小行星竟然也喷出了岩浆。发现这些奇异的地貌，并且调查它们的来头，无疑有助于进一步揭示太阳系的奥秘。

探索地球之外的火山，不只具有地质学方面的重要意义。科学界已有一种共识：生命起源的过程必须有能量来源推动。在地球上，一种主要的能量来源就是火山，尤其是海底火山。那幺，如果宇宙中到处有火山，是否意味着到处有生命？

我们通常把火山视为地球的开口，超高温的液态岩石——岩浆从火山口喷出。火山爆发可能会把岩浆变成细小颗粒，从而形成火山灰云。岩浆也会流到地表，被称为熔岩。

在地球上，火山经常形成于构造板块之间的边缘，但也出现于板块中心高高的天然烟囱（也叫地幔柱，它们被认为把岩浆带到地表）。推动这一过程的热量来自地球中心的放射性元素，在地球于大约45亿年前形成时这些元素就被封锁在地球中心。

太阳系的其他岩石行星——水星、金星和火星，与地球形成于同一时期和基本相同之地，因此它们的中心也有放射性热源。然而，火星的体积只有地球的大约15%，水星则更小，所以它们散热很快。只有比地球略小的金星，至今存在活火山。

“旅行者1号”飞船帮助我们探索太阳系（想象图）

在火星轨道以外，温度骤降，在结冰点温度之外的地带被称为外太阳系。外太阳系与内太阳系截然不同。外太阳系行星由冰粒构成，这些冰粒的基本成分——例如水、氨和二氧化碳等化合物，在地球上通常为液态或气态。但外太阳系极度寒冷，就算太空压力很低，这些化合物也成为固体。按理说，在如此寒冷的地带不可能存在火山。

至少，这是在1979年以前流行于科学界的观点。这一年，“旅行者1号”飞船抵达木星。当它来到最靠近木星的卫星木卫一附近时，发现这颗只比月球大一点的木卫竟然喷射出100千米高的火山烟柱。木卫一表面的火山数量超过100座，其中最大的一座——洛基火山很难被一眼看出是火山。它是一个直径200千米的大凹陷，其底部是一个翻滚的马蹄形熔岩湖。“旅行者1号”并未看见洛基火山爆发，但发现它的熔岩湖有周期性升温和降温。

在如此一个冰封的小小天体上，是什幺力量在推动火山活动？在“旅行者1号”到达木卫一之前几天，科学家提出一个猜想：木卫一因为被引力挤压而升温。木卫一在轨道中环绕木星的过程中，在各方向都受到木星及其他木卫的引力拖曳和挤压，这种潮汐加热导致木卫一内部升温。

但木卫一只是个特例吗？它在形成时与其母行星——木星距离很近，而冰冻线之外的许多卫星与其母行星之间的距离都没有这幺近。在严寒的外太阳系，大多数卫星主要由冰构成，岩石内核都较小。如此看来，它们应该鲜有火山活动吧？

“旅行者1号”及其姊妹飞船“旅行者2号”在20世纪80年代初抵达土星系统（由土星及其卫星组成）。很快，它们就俯冲经过了直径只有500千米的一颗土星卫星——土卫二。科学家在这之前预计，与月球相似，土卫二表面可能覆盖着由彗星和小行星造成的撞击坑。但实际情况并非如此。“旅行者2号”发现，土卫二表面为亮白色，一些区域很光滑。这是为什幺？

“卡西尼号”飞船

又过了差不多25年，我们才有了答案。2005年，“卡西尼号”飞船近观土卫二，才清楚地看见它向太空喷射多根水柱。科学家之前几乎认定小小的土卫二会平淡无奇，死气沉沉。现在发现它竟然喷射水柱，难免大吃一惊。后来发现，这些水柱来自土卫二冰表面下的盐水海洋。土卫二表面一些地方之所以平滑，是因为水柱造成的雪花降落。

土卫二的地下海洋之所以能保持温暖，其原因与木卫一内核呈液态的原因相同，即附近天体的引力拖曳造成的潮汐加热。潮汐加热还造成土卫二表面裂缝的打开或关闭，从而让地下水喷出。

当“卡西尼号”直接飞入这些水柱时，它发现它们包含矿物质颗粒、钠盐和复杂的碳基分子。这说明土卫二地下海洋必定有岩石海底，也就是与地球海底相似。如果土卫二的海底也有地热喷泉，那就有可能触发生命起源。在寻找地外生命（也称外星生命）时，科学家认为液态水、有机分子和能引发化学反应的能量来源必不可少。而这些要素在土卫二上都有，因此科学家推测土卫二的地下海洋中可能存在生命。

甚至在外太阳系更寒冷的地带，也照样有火山活动。1989年，“旅行者2号”造访海王星及其卫星，这是人类飞行器第一次和迄今唯一一次造访海王星系统。在海王星系统所在的遥远地带，太阳只是一个光点，因此那里的一切天体都应该冻得硬邦邦的。海王星最大的卫星——海卫一的表面温度为-235℃，但“旅行者2号”发现，海卫一竟然会喷发喷泉样水柱，把物质喷射到表面上空8千米处。

在如此遥远、如此严寒的地方居然有火山活动，这实在是了不得。那幺，能量来源是什幺？一种可能的解释，与海卫一半透明的氮冰盖下的一层暗色物质有关。这些物质可能会吸收到达这里的为数不多的阳光，形成某种地下温室效应来暖化表面冰。这导致氮气累积，压力逐渐升高至爆发点。

类似的发现迫使科学家再次评估火山成因。土卫二上的火山被称为冷火山，其机制与地球上的冷火山相仿，但在土卫二上冷火山物质的流动温度比地球上的这一温度低得多。而对于海王星的一颗卫星——海卫一表面的喷泉来说，冷火山这个名称不符合，因为海卫一喷射喷泉并非由内部热量推动，那幺是由什幺推动的呢？

“旅行者2号”不仅看见了海卫一表面的喷泉，而且拍摄了海卫一表面一个直径达80千米的撞击坑——利维坦坑，此坑附近的两个巨大凹陷被认为曾经是熔岩湖。海卫一表面的其他地方比较光滑，有可能是因为冰质熔岩的喷发。这表明海卫一内部有热量。这些热量可能一部分来自潮汐加热，另一部分则来自海卫一岩石内核中的放射性衰变。但是否如此，尚无定论。

最近，探测器飞到了太阳系中更远的地方，一路来到了矮行星冥王星所在地。冥王星与地球之间的距离一直在变化，但光速飞船从地球去冥王星基本上用时是固定的——5小时15分钟。注意，这里有个重要条件——光速。事实上，冥王星不仅非常遥远，而且非常神秘。

在“新地平线号”探测器于2015年经过冥王星之前，科学家很难想象冥王星的模样。“新地平线号”发现，冥王星的地壳由非常坚硬的冰构成，这些冰的质地就像岩石。冥王星表面有山脉，也有不见撞击坑的光滑平原，其中一个心形平原被称为“汤博”。冥王星表面甚至还有由冰冻的甲烷构成的沙丘。但更惊人的是，冥王星居然也有火山。

包括怀特山在内的冥王星表面的一些山脉看起来很奇怪——山顶都有一个洞。在地球上，这样的山通常是火山。科学家推测，冥王星也是一个活跃的世界，很可能有地下海洋来驱动冷火山。

你可能会疑惑：在那幺遥远而寒冷的地方，怎幺可能有流动的水？其中的奥秘可能在于氨。只要水冰中的氨含量达到5%，冰就会变成液体流动。就算如此，冥王星也一定有热源来推动火山活动。虽然冥王星有多颗卫星，但它们都很小，不足以提供明显的潮汐加热。而冥王星自身也很小，体积还不到地球的1%，因此冥王星内核的放射性元素产热早就散失了。

“旅行者2号”探测器

目前最好的解释是，冥王星的冰地壳中包含笼形水合物，这种物质由小小的分子笼构成，而分子笼中捕获有甲烷气体。这层气体的导热性很差，因此把热量锁闭在冥王星内部。

飞船探测土卫二喷泉（想象图）

火星表面的奥林匹斯山

金星火山

谷神星表面的巨大撞击坑

冥王星冰火山

木卫二的冰地壳

木卫一表面的火山

冥王星的崎岖地表

海卫一表面的喷泉（想象图）

随着我们探索太阳系，几乎每个地方都能见到狂野和奇妙的火山。这对于地外生命来说意味着什幺？虽然生命必需热量来推动，但拥有火山并不等于拥有生命。不过，火山活动是一个地方地质活动活跃的标志，而活跃的地质活动会增加生命存在的可能性。

地外生命绝不仅仅可能存在于太阳系内，因此我们的视野必须扩展到太阳系外。迄今已发现了数百颗系外（指太阳系以外的）岩石行星。以“巨蟹e55号”行星为例，有迹象表明它的表面有些地方为熔融状，这是它的内部充盈热量的明确迹象。那些个头大的系外行星应该也有卫星环绕。这些卫星很小也很遥远，因此很难被看见。但一颗叫作WASP-49b的系外行星被认为有一颗像木卫一那样的岩石卫星，而这颗卫星上有火山喷发。也就是说，不仅在太阳系内，而且在太阳系外都有许多地方存在火山活动，因此，点亮生命的火花在太阳系内外都大量存在。当然，这并不是说地外生命到处都有。

回过头来，最大的一个火山奥秘仍然在太阳系内。2015年，“黎明号”飞船进入环绕一颗矮行星——谷神星的轨道。谷神星是太阳系中已知最大的小行星，“黎明号”发回了谷神星表面的阿胡拉山照片，山坡上有疑似熔岩的明亮条状物。也就是说，在这个堪称袖珍的小小天体上也有冷火山。

科学家现已知道，谷神星有几十座冷火山，它们可能由地下海洋推动。在活跃期间，这些火山每年喷出的盐水泥浆总量高达1万立方米。在谷神星表面-40℃的条件下，盐水泥浆就能上涌、造山。科学家尚不清楚谷神星冷火山的确切推动机制。也就是说，说到火山，就连太阳系内的火山之谜也还未完全破解。

太阳系中有许多奇异的火山爆发。来看看地球之外的太阳系中最大规模的火山爆发。