劉聲遠

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，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學上講都是死寂的。

夏威夷的基拉韋厄火山

我們現(xiàn)在知道，這種認識大錯特錯。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，并且調查它們的來頭，無疑有助于進一步揭示太陽系的奧秘。

探索地球之外的火山，不只具有地質學方面的重要意義?？茖W界已有一種共識：生命起源的過程必須有能量來源推動。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?；鹕奖l(fā)可能會把巖漿變成細小顆粒，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，火山經常形成于構造板塊之間的邊緣，但也出現(xiàn)于板塊中心高高的天然煙囪（也叫地幔柱，它們被認為把巖漿帶到地表）。推動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，在結冰點溫度之外的地帶被稱為外太陽系。外太陽系與內太陽系截然不同。外太陽系行星由冰粒構成，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年以前流行于科學界的觀點。這一年，“旅行者1號”飛船抵達木星。當它來到最靠近木星的衛(wèi)星木衛(wèi)一附近時，發(fā)現(xiàn)這顆只比月球大一點的木衛(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。它是一個直徑200千米的大凹陷，其底部是一個翻滾的馬蹄形熔巖湖?！奥眯姓?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。

在如此一個冰封的小小天體上，是什么力量在推動火山活動？在“旅行者1號”到達木衛(wèi)一之前幾天，科學家提出一個猜想：木衛(wèi)一因為被引力擠壓而升溫。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，這種潮汐加熱導致木衛(wèi)一內部升溫。

但木衛(wèi)一只是個特例嗎？它在形成時與其母行星——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。在嚴寒的外太陽系，大多數(shù)衛(wèi)星主要由冰構成，巖石內核都較小。如此看來，它們應該鮮有火山活動吧？

“旅行者1號”及其姊妹飛船“旅行者2號”在20世紀80年代初抵達土星系統(tǒng)（由土星及其衛(wèi)星組成）。很快，它們就俯沖經過了直徑只有500千米的一顆土星衛(wèi)星——土衛(wèi)二?？茖W家在這之前預計，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。但實際情況并非如此?！奥眯姓?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。科學家之前幾乎認定小小的土衛(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，是因為水柱造成的雪花降落。

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閉，從而讓地下水噴出。

當“卡西尼號”直接飛入這些水柱時，它發(fā)現(xiàn)它們包含礦物質顆粒、鈉鹽和復雜的碳基分子。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)二的海底也有地熱噴泉，那就有可能觸發(fā)生命起源。在尋找地外生命（也稱外星生命）時，科學家認為液態(tài)水、有機分子和能引發(fā)化學反應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。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)所在的遙遠地帶，太陽只是一個光點，因此那里的一切天體都應該凍得硬邦邦的。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，把物質噴射到表面上空8千米處。

在如此遙遠、如此嚴寒的地方居然有火山活動，這實在是了不得。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有關。這些物質可能會吸收到達這里的為數(shù)不多的陽光，形成某種地下溫室效應來暖化表面冰。這導致氮氣累積，壓力逐漸升高至爆發(fā)點。

類似的發(fā)現(xiàn)迫使科學家再次評估火山成因。土衛(wèi)二上的火山被稱為冷火山，其機制與地球上的冷火山相仿，但在土衛(wèi)二上冷火山物質的流動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，冷火山這個名稱不符合，因為海衛(wèi)一噴射噴泉并非由內部熱量推動，那么是由什么推動的呢？

“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)一表面一個直徑達80千米的撞擊坑——利維坦坑，此坑附近的兩個巨大凹陷被認為曾經是熔巖湖。海衛(wèi)一表面的其他地方比較光滑，有可能是因為冰質熔巖的噴發(fā)。這表明海衛(wèi)一內部有熱量。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是固定的——5小時15分鐘。注意，這里有個重要條件——光速。事實上，冥王星不僅非常遙遠，而且非常神秘。

在“新地平線號”探測器于2015年經過冥王星之前，科學家很難想象冥王星的模樣?！靶碌仄骄€號”發(fā)現(xiàn)，冥王星的地殼由非常堅硬的冰構成，這些冰的質地就像巖石。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。

包括懷特山在內的冥王星表面的一些山脈看起來很奇怪——山頂都有一個洞。在地球上，這樣的山通常是火山。科學家推測，冥王星也是一個活躍的世界，很可能有地下海洋來驅動冷火山。

你可能會疑惑：在那么遙遠而寒冷的地方，怎么可能有流動的水？其中的奧秘可能在于氨。只要水冰中的氨含量達到5%，冰就會變成液體流動。就算如此，冥王星也一定有熱源來推動火山活動。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%，因此冥王星內核的放射性元素產熱早就散失了。

“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，這種物質由小小的分子籠構成，而分子籠中捕獲有甲烷氣體。這層氣體的導熱性很差，因此把熱量鎖閉在冥王星內部。

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，但擁有火山并不等于擁有生命。不過，火山活動是一個地方地質活動活躍的標志，而活躍的地質活動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，因此我們的視野必須擴展到太陽系外。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，這是它的內部充盈熱量的明確跡象。那些個頭大的系外行星應該也有衛(wèi)星環(huán)繞。這些衛(wèi)星很小也很遙遠，因此很難被看見。但一顆叫作WASP-49b的系外行星被認為有一顆像木衛(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，而且在太陽系外都有許多地方存在火山活動，因此，點亮生命的火花在太陽系內外都大量存在。當然，這并不是說地外生命到處都有。

回過頭來，最大的一個火山奧秘仍然在太陽系內。2015年，“黎明號”飛船進入環(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，在這個堪稱袖珍的小小天體上也有冷火山。

科學家現(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。在活躍期間，這些火山每年噴出的鹽水泥漿總量高達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?？茖W家尚不清楚谷神星冷火山的確切推動機制。也就是說，說到火山，就連太陽系內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。它的形成可能是因為內核巖漿上涌。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

這座包括一個馬蹄形熔巖湖的火山，位于太陽系中火山活動最劇烈的天體上。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。

位于土衛(wèi)二表面? 延伸進太空

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，利維坦火山是一個直徑2000千米的巨大火山口內的一座火山丘。論面積，這個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明顯的凹陷，其四周有紅色物質組成的條紋。懷特山很可能是一座火山，它曾經噴發(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)預計是在幾億年后。