外星火山

劉聲遠(yuǎn)

一顆系外行星及其表面火山（想象圖）

站在夏威夷基拉韋厄火山頂望向火山口，就算離火山口邊緣好幾千米遠(yuǎn)，依然能看見橘紅色液體從火山口噴涌而出。那驚人的場面可能會讓你覺得：如此壯麗的火山，恐怕只有我們的地球才能創(chuàng)造吧？說到令人印象深刻的火山，基拉韋厄只是其中之一。僅在2020年這一年中，地球上就至少有60次火山爆發(fā)。在人類有能力探測外太空之前，許多人都認(rèn)為在太陽系中只有地球上有火山。換言之，太陽系其他地方從地質(zhì)學(xué)上講都是死寂的。

夏威夷的基拉韋厄火山

我們現(xiàn)在知道，這種認(rèn)識大錯(cuò)特錯(cuò)。已有證據(jù)表明，在地球之外那些最意想不到的地方存在著各種奇異的火山。例如，土星的衛(wèi)星噴射水柱，冥王星上有冰火山。不僅如此，就算是小行星竟然也噴出了巖漿。發(fā)現(xiàn)這些奇異的地貌，并且調(diào)查它們的來頭，無疑有助于進(jìn)一步揭示太陽系的奧秘。

探索地球之外的火山，不只具有地質(zhì)學(xué)方面的重要意義?？茖W(xué)界已有一種共識：生命起源的過程必須有能量來源推動(dòng)。在地球上，一種主要的能量來源就是火山，尤其是海底火山。那么，如果宇宙中到處有火山，是否意味著到處有生命？

我們通常把火山視為地球的開口，超高溫的液態(tài)巖石——巖漿從火山口噴出。火山爆發(fā)可能會把巖漿變成細(xì)小顆粒，從而形成火山灰云。巖漿也會流到地表，被稱為熔巖。

在地球上，火山經(jīng)常形成于構(gòu)造板塊之間的邊緣，但也出現(xiàn)于板塊中心高高的天然煙囪（也叫地幔柱，它們被認(rèn)為把巖漿帶到地表）。推動(dòng)這一過程的熱量來自地球中心的放射性元素，在地球于大約45億年前形成時(shí)這些元素就被封鎖在地球中心。

太陽系的其他巖石行星——水星、金星和火星，與地球形成于同一時(shí)期和基本相同之地，因此它們的中心也有放射性熱源。然而，火星的體積只有地球的大約15%，水星則更小，所以它們散熱很快。只有比地球略小的金星，至今存在活火山。

“旅行者1號”飛船幫助我們探索太陽系（想象圖）

在火星軌道以外，溫度驟降，在結(jié)冰點(diǎn)溫度之外的地帶被稱為外太陽系。外太陽系與內(nèi)太陽系截然不同。外太陽系行星由冰粒構(gòu)成，這些冰粒的基本成分——例如水、氨和二氧化碳等化合物，在地球上通常為液態(tài)或氣態(tài)。但外太陽系極度寒冷，就算太空壓力很低，這些化合物也成為固體。按理說，在如此寒冷的地帶不可能存在火山。

至少，這是在1979年以前流行于科學(xué)界的觀點(diǎn)。這一年，“旅行者1號”飛船抵達(dá)木星。當(dāng)它來到最靠近木星的衛(wèi)星木衛(wèi)一附近時(shí)，發(fā)現(xiàn)這顆只比月球大一點(diǎn)的木衛(wèi)竟然噴射出100千米高的火山煙柱。木衛(wèi)一表面的火山數(shù)量超過100座，其中最大的一座——洛基火山很難被一眼看出是火山。它是一個(gè)直徑200千米的大凹陷，其底部是一個(gè)翻滾的馬蹄形熔巖湖。“旅行者1號”并未看見洛基火山爆發(fā)，但發(fā)現(xiàn)它的熔巖湖有周期性升溫和降溫。

在如此一個(gè)冰封的小小天體上，是什么力量在推動(dòng)火山活動(dòng)？在“旅行者1號”到達(dá)木衛(wèi)一之前幾天，科學(xué)家提出一個(gè)猜想：木衛(wèi)一因?yàn)楸灰D壓而升溫。木衛(wèi)一在軌道中環(huán)繞木星的過程中，在各方向都受到木星及其他木衛(wèi)的引力拖曳和擠壓，這種潮汐加熱導(dǎo)致木衛(wèi)一內(nèi)部升溫。

但木衛(wèi)一只是個(gè)特例嗎？它在形成時(shí)與其母行星——木星距離很近，而冰凍線之外的許多衛(wèi)星與其母行星之間的距離都沒有這么近。在嚴(yán)寒的外太陽系，大多數(shù)衛(wèi)星主要由冰構(gòu)成，巖石內(nèi)核都較小。如此看來，它們應(yīng)該鮮有火山活動(dòng)吧？

“旅行者1號”及其姊妹飛船“旅行者2號”在20世紀(jì)80年代初抵達(dá)土星系統(tǒng)（由土星及其衛(wèi)星組成）。很快，它們就俯沖經(jīng)過了直徑只有500千米的一顆土星衛(wèi)星——土衛(wèi)二?？茖W(xué)家在這之前預(yù)計(jì)，與月球相似，土衛(wèi)二表面可能覆蓋著由彗星和小行星造成的撞擊坑。但實(shí)際情況并非如此。“旅行者2號”發(fā)現(xiàn)，土衛(wèi)二表面為亮白色，一些區(qū)域很光滑。這是為什么？

“卡西尼號”飛船

又過了差不多25年，我們才有了答案。2005年，“卡西尼號”飛船近觀土衛(wèi)二，才清楚地看見它向太空噴射多根水柱?？茖W(xué)家之前幾乎認(rèn)定小小的土衛(wèi)二會平淡無奇，死氣沉沉?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)它竟然噴射水柱，難免大吃一驚。后來發(fā)現(xiàn)，這些水柱來自土衛(wèi)二冰表面下的鹽水海洋。土衛(wèi)二表面一些地方之所以平滑，是因?yàn)樗斐傻难┗ń德洹?/p>

土衛(wèi)二的地下海洋之所以能保持溫暖，其原因與木衛(wèi)一內(nèi)核呈液態(tài)的原因相同，即附近天體的引力拖曳造成的潮汐加熱。潮汐加熱還造成土衛(wèi)二表面裂縫的打開或關(guān)閉，從而讓地下水噴出。

當(dāng)“卡西尼號”直接飛入這些水柱時(shí)，它發(fā)現(xiàn)它們包含礦物質(zhì)顆粒、鈉鹽和復(fù)雜的碳基分子。這說明土衛(wèi)二地下海洋必定有巖石海底，也就是與地球海底相似。如果土衛(wèi)二的海底也有地?zé)釃娙蔷陀锌赡苡|發(fā)生命起源。在尋找地外生命（也稱外星生命）時(shí)，科學(xué)家認(rèn)為液態(tài)水、有機(jī)分子和能引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的能量來源必不可少。而這些要素在土衛(wèi)二上都有，因此科學(xué)家推測土衛(wèi)二的地下海洋中可能存在生命。

甚至在外太陽系更寒冷的地帶，也照樣有火山活動(dòng)。1989年，“旅行者2號”造訪海王星及其衛(wèi)星，這是人類飛行器第一次和迄今唯一一次造訪海王星系統(tǒng)。在海王星系統(tǒng)所在的遙遠(yuǎn)地帶，太陽只是一個(gè)光點(diǎn)，因此那里的一切天體都應(yīng)該凍得硬邦邦的。海王星最大的衛(wèi)星——海衛(wèi)一的表面溫度為-235℃，但“旅行者2號”發(fā)現(xiàn)，海衛(wèi)一竟然會噴發(fā)噴泉樣水柱，把物質(zhì)噴射到表面上空8千米處。

在如此遙遠(yuǎn)、如此嚴(yán)寒的地方居然有火山活動(dòng)，這實(shí)在是了不得。那么，能量來源是什么？一種可能的解釋，與海衛(wèi)一半透明的氮冰蓋下的一層暗色物質(zhì)有關(guān)。這些物質(zhì)可能會吸收到達(dá)這里的為數(shù)不多的陽光，形成某種地下溫室效應(yīng)來暖化表面冰。這導(dǎo)致氮?dú)饫鄯e，壓力逐漸升高至爆發(fā)點(diǎn)。

類似的發(fā)現(xiàn)迫使科學(xué)家再次評估火山成因。土衛(wèi)二上的火山被稱為冷火山，其機(jī)制與地球上的冷火山相仿，但在土衛(wèi)二上冷火山物質(zhì)的流動(dòng)溫度比地球上的這一溫度低得多。而對于海王星的一顆衛(wèi)星——海衛(wèi)一表面的噴泉來說，冷火山這個(gè)名稱不符合，因?yàn)楹Ｐl(wèi)一噴射噴泉并非由內(nèi)部熱量推動(dòng)，那么是由什么推動(dòng)的呢？

“旅行者2號”不僅看見了海衛(wèi)一表面的噴泉，而且拍攝了海衛(wèi)一表面一個(gè)直徑達(dá)80千米的撞擊坑——利維坦坑，此坑附近的兩個(gè)巨大凹陷被認(rèn)為曾經(jīng)是熔巖湖。海衛(wèi)一表面的其他地方比較光滑，有可能是因?yàn)楸|(zhì)熔巖的噴發(fā)。這表明海衛(wèi)一內(nèi)部有熱量。這些熱量可能一部分來自潮汐加熱，另一部分則來自海衛(wèi)一巖石內(nèi)核中的放射性衰變。但是否如此，尚無定論。

最近，探測器飛到了太陽系中更遠(yuǎn)的地方，一路來到了矮行星冥王星所在地。冥王星與地球之間的距離一直在變化，但光速飛船從地球去冥王星基本上用時(shí)是固定的——5小時(shí)15分鐘。注意，這里有個(gè)重要條件——光速。事實(shí)上，冥王星不僅非常遙遠(yuǎn)，而且非常神秘。

在“新地平線號”探測器于2015年經(jīng)過冥王星之前，科學(xué)家很難想象冥王星的模樣。“新地平線號”發(fā)現(xiàn)，冥王星的地殼由非常堅(jiān)硬的冰構(gòu)成，這些冰的質(zhì)地就像巖石。冥王星表面有山脈，也有不見撞擊坑的光滑平原，其中一個(gè)心形平原被稱為“湯博”。冥王星表面甚至還有由冰凍的甲烷構(gòu)成的沙丘。但更驚人的是，冥王星居然也有火山。

包括懷特山在內(nèi)的冥王星表面的一些山脈看起來很奇怪——山頂都有一個(gè)洞。在地球上，這樣的山通常是火山?？茖W(xué)家推測，冥王星也是一個(gè)活躍的世界，很可能有地下海洋來驅(qū)動(dòng)冷火山。

你可能會疑惑：在那么遙遠(yuǎn)而寒冷的地方，怎么可能有流動(dòng)的水？其中的奧秘可能在于氨。只要水冰中的氨含量達(dá)到5%，冰就會變成液體流動(dòng)。就算如此，冥王星也一定有熱源來推動(dòng)火山活動(dòng)。雖然冥王星有多顆衛(wèi)星，但它們都很小，不足以提供明顯的潮汐加熱。而冥王星自身也很小，體積還不到地球的1%，因此冥王星內(nèi)核的放射性元素產(chǎn)熱早就散失了。

“旅行者2號”探測器

目前最好的解釋是，冥王星的冰地殼中包含籠形水合物，這種物質(zhì)由小小的分子籠構(gòu)成，而分子籠中捕獲有甲烷氣體。這層氣體的導(dǎo)熱性很差，因此把熱量鎖閉在冥王星內(nèi)部。

飛船探測土衛(wèi)二噴泉（想象圖）

火星表面的奧林匹斯山

金星火山

谷神星表面的巨大撞擊坑

冥王星冰火山

木衛(wèi)二的冰地殼

木衛(wèi)一表面的火山

冥王星的崎嶇地表

海衛(wèi)一表面的噴泉（想象圖）

隨著我們探索太陽系，幾乎每個(gè)地方都能見到狂野和奇妙的火山。這對于地外生命來說意味著什么？雖然生命必需熱量來推動(dòng)，但擁有火山并不等于擁有生命。不過，火山活動(dòng)是一個(gè)地方地質(zhì)活動(dòng)活躍的標(biāo)志，而活躍的地質(zhì)活動(dòng)會增加生命存在的可能性。

地外生命絕不僅僅可能存在于太陽系內(nèi)，因此我們的視野必須擴(kuò)展到太陽系外。迄今已發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆系外（指太陽系以外的）巖石行星。以“巨蟹e55號”行星為例，有跡象表明它的表面有些地方為熔融狀，這是它的內(nèi)部充盈熱量的明確跡象。那些個(gè)頭大的系外行星應(yīng)該也有衛(wèi)星環(huán)繞。這些衛(wèi)星很小也很遙遠(yuǎn)，因此很難被看見。但一顆叫作WASP-49b的系外行星被認(rèn)為有一顆像木衛(wèi)一那樣的巖石衛(wèi)星，而這顆衛(wèi)星上有火山噴發(fā)。也就是說，不僅在太陽系內(nèi)，而且在太陽系外都有許多地方存在火山活動(dòng)，因此，點(diǎn)亮生命的火花在太陽系內(nèi)外都大量存在。當(dāng)然，這并不是說地外生命到處都有。

回過頭來，最大的一個(gè)火山奧秘仍然在太陽系內(nèi)。2015年，“黎明號”飛船進(jìn)入環(huán)繞一顆矮行星——谷神星的軌道。谷神星是太陽系中已知最大的小行星，“黎明號”發(fā)回了谷神星表面的阿胡拉山照片，山坡上有疑似熔巖的明亮條狀物。也就是說，在這個(gè)堪稱袖珍的小小天體上也有冷火山。

科學(xué)家現(xiàn)已知道，谷神星有幾十座冷火山，它們可能由地下海洋推動(dòng)。在活躍期間，這些火山每年噴出的鹽水泥漿總量高達(dá)1萬立方米。在谷神星表面-40℃的條件下，鹽水泥漿就能上涌、造山。科學(xué)家尚不清楚谷神星冷火山的確切推動(dòng)機(jī)制。也就是說，說到火山，就連太陽系內(nèi)的火山之謎也還未完全破解。

太陽系中有許多奇異的火山爆發(fā)。來看看地球之外的太陽系中最大規(guī)模的火山爆發(fā)。

位于火星表面? 高度 25千米

火星表面高度為地球上喜馬拉雅山海拔大約2.5倍的奧林匹斯山，是太陽系中最高的火山。它的形成可能是因?yàn)閮?nèi)核巖漿上涌。它的最后一次爆發(fā)是在2500萬年前。

位于木衛(wèi)一表面? 寬度 200千米

這座包括一個(gè)馬蹄形熔巖湖的火山，位于太陽系中火山活動(dòng)最劇烈的天體上。洛基火山看來持續(xù)活躍，自從它在1979年被發(fā)現(xiàn)至今，它一直都在活動(dòng)。

位于土衛(wèi)二表面? 延伸進(jìn)太空

土衛(wèi)二南極噴射多根由水和冰組成的巨大柱子。柱子中的冰粒隨后飄移，形成土星環(huán)之一。這些柱子中也包含鹽和有機(jī)化合物。

位于海衛(wèi)一表面? 寬度 100千米

在海王星最大的衛(wèi)星——海衛(wèi)一表面，利維坦火山是一個(gè)直徑2000千米的巨大火山口內(nèi)的一座火山丘。論面積，這個(gè)火山口的大小在太陽系中排第二，而且它與目前活躍的冷熔巖湖相通。

位于冥王星表面? 150千米寬、 4千米高

在這座低矮、寬大的山脈頂部有一個(gè)明顯的凹陷，其四周有紅色物質(zhì)組成的條紋。懷特山很可能是一座火山，它曾經(jīng)噴發(fā)過包含氨的水冰混合物。

位于谷神星表面? 高度 4千米

它是位于小行星帶中的一顆矮行星——谷神星表面的最大的鹽水泥漿火山，也是一種慢速火山。谷神星上的最近一次火山爆發(fā)是在2億年前，而下一次爆發(fā)預(yù)計(jì)是在幾億年后。