Feiwei Fei和他的同事们花了一个月的时间精心制作了三块致密的硅酸盐薄片-光滑而圆润，每个样本的厚度均不到一毫米。但是在11月初，该说再见了。Fei用泡沫仔细地包装了样品以及一些备用样品，并将其从华盛顿特区运到新墨西哥州的阿尔伯克基。桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）的Z脉冲电源设备将很快向条子发出2600万安培的电流，将它们逐一地打成灰尘。

Z机可以复制核武器内部的极端条件。但是，费恩（Fei）是华盛顿卡内基科学研究所地球物理实验室的高压实验地质学家，他有一个更超乎寻常的目标：他希望探索在地表以下深处发现的一种桥连石在更高的温度下如何表现和太阳系以外较大的岩石行星内部发现的压力。

Rick Carlson和Cayman Unterborn解释了为什么地质是我们系外行星了解的核心。

该实验是对系外地质学的一小部分贡献：这个研究领域使天文学家，行星科学家和地质学家聚集在一起，从地质学角度探讨系外行星的面貌。对于许多科学家来说，外来地质学是寻求能够支持生命的世界的自然延伸。天文学家已经发现了数千颗系外行星，并收集了一些重要的统计数据，包括质量和半径。那些绕着宜居者或“ oldilocks”走动的人？区域“位于恒星周围的区域，其温度足以使水以液态形式存在”，被认为对生命特别友好。

但是，坦佩市亚利桑那州立大学的系外地质学家开曼·恩特博恩（Cayman Unterborn）表示，地球要比它的大小，质量和有利的轨道运转得多。例如，它搅动的熔融核产生并维持一个磁场，该磁场将行星状脆弱的大气层与太阳风隔离开来。构造板块的运动通过使二氧化碳在岩石和大气之间循环而有助于调节全球温度。系外行星的发现不断涌入。但是，天文学家“现在必须意识到，”等等，我们不仅想集邮，还想更多地了解这些系统。未出生的说。“将地质因素引入混合是自然因素。” / p>

研究人员正在使用模拟和实验（例如Z机上的Fei）来了解哪种系外行星可能具有类似地球的地质特征。这项工作可以帮助研究人员确定研究哪些系外行星的优先级。

但是该领域面临着许多挑战，尤其是神秘仍然围绕着地球地质的许多部分，例如构造活动的开始方式和时间。卡内基研究所的地球化学家理查德·卡尔森说：“这是改变地质的根本发现。”“但我们仍然不知道为什么它会如此运作。”？此外，证实系外行星实际上拥有类地球地质可能是困难的。天文学家很少直接观察这些行星，如果确实如此，行星可能就是图像中单个像素的大小。

这七个外星世界可以帮助解释行星是如何形成的

即使是地质活动的间接证据（或最小的建议）也可以使研究人员更全面地了解这些遥远的世界，其中哪些是寻找生命迹象的最佳人选。剑桥麻省理工学院天体物理学家萨拉·西格（Sara Seager）说：“就像您遇到的证据很少的大型犯罪现场一样，”。“渊博竭尽所能，拿走几乎没有的证据，然后设法以某种方式将其拼凑起来。”？/ p>

向外转

系外行星是最令人兴奋的目标之一。这些岩石行星（质量是地球质量的十倍）在太阳系中是无可比拟的。但是现在人们知道它们在银河系中很常见，而且由于许多都很大，因此与地球大小的行星相比，它们可以更容易地进行详细观察。

大约十年前发表的有关超地球地质学的早期研究调查了这些行星如果仅仅是按比例放大的地球形式，它们的样子。但是在2004年首次发现的炙热的55 Cancri e行星强调了超级地球可能大不相同的想法。2011年的观察表明，这颗行星的半径大约是地球的两倍1，质量是其质量2的八倍多，其平均密度仅略高于地球，这是一个难题。

如果55 Cancri e具有铁芯和硅酸盐地幔，例如地球，那么考虑到它的大小，它应该更大。环绕整个星球的海洋将使55 Cancrie密度降低到与地球类似的水平。但是地球太热了，水无法生存。它的轨道非常靠近其主恒星，因此白天的温度大约为2500华氏度。

2012年达成一项决议，当时当时在康涅狄格州纽黑文的耶鲁大学的天文学家Nikku Madhusudhan和他的同事决定采用新的方法。先前的研究表明，行星宿主恒星的碳氧比比太阳高得多。恒星及其行星是由相同的旋转的尘埃和气体盘构成的，因此可以合理地假设55 Cancri e也富含碳。当Madhusudhan在他的行星内部模型中考虑了这种碳时，它与世界的质量和半径相吻合3。现任英国剑桥大学的Madhusudhan说：“这是一个启示。”这样的世界将是真正的外星人。Madhusudhan怀疑其外壳可能是石墨所主导。在行星内部，压力可能会将大量元素压碎成钻石。他说：“与我们在太阳系中看到的相比，这看起来非常激进。”

尽管55 Cancri e宿主恒星实际上所含的碳可能不及人们想象的那么多，但由钻石制成的行星会激发人们的想象力。即使是这样，天文学家也告诫不要假设行星组成与其所在恒星的行星相匹配。西格指出，这个想法不能很好地解释太阳系中行星的多样性。耶鲁大学的天文学家格里高里·劳克林（Gregory Laughlin）说：“这是一个合理的推论，但我认为重要的是要意识到它不是铁定的。”

系外行星的建立

外来地质学家已经接受了这种不确定性，并正在尽最大努力来确定遥远的世界是如何形成和演化的。为了从起始元素的清单到地质学，科学家需要知道什么矿物形成，何时熔化以及密度随压力和温度如何变化。这些数据可用于模拟行星如何从未分化的熔融球发展成层状结构，矿物随着行星的冷却而形成“沉没或漂浮”的状态。阿姆斯特丹自由大学的地质学家Wim van Westrenen说：“可以建立一个地球最初的外观的矿物学模型，比如说洋葱皮模型。”然后，他说，研究人员可以使用数值模型来预测该行星将如何演化以及材料的迁移是否足以驱动板块构造。

系外行星的赏金包括大多数类似地球的世界

为了收集信息以提供给这些模型，地质学家开始像费恩和他的同事一样，使人造岩石经受高温和高压以复制系外行星的内部。尽管这些实验的目标是新的，但方法并非如此。几十年来，实验岩石学家已经建造了可以模拟地球内部条件的仪器，其范围从地表以下几厘米到地心。许多人使用称为钻石砧室的设备。该设备通过将两颗宝石级钻石的钝头推在一起来挤压材料。当样品处于压力下时，可以使用激光对其进行加热。同时，实验人员可以用X射线轰击该材料，以研究其晶体结构，并探索该材料在被推至高温和高压时如何变化。

包括亚利桑那州立大学矿物物理学家Sang-Heon Dan Shim和他的同事在内的小组已使用此过程挤压可能反映55 Cancri e成分的富碳样品。这项工作揭示了4以被称为碳化物的含碳化合物为主导的行星如何传递热量，以及它们与地球等以硅酸盐为主的行星有何不同。

碳不是唯一感兴趣的元素。不确定的是，镁，硅和铁是“三大元素”，它们将影响行星的整体结构，影响热量在地幔中的流动方式以及行星芯的相对大小，从而影响板块构造和地球动力学。全局磁场。这些元素的比例在恒星中变化很大。太阳每个硅原子都有一个镁原子；在其他恒星中，该比率范围从0.5到2。两者之间的差异似乎很小，但是如果行星中存在相同的比率，它们可能会严重影响地质。

大多数教科书认为，富含镁的岩石比含有高浓度硅的岩石要软得多，以至于在富含镁的世界中行走可能会像在泥泞中行走。在具有各种镁硅比的岩石上进行的垫片金刚石砧砧工作表明，与富含硅的行星相比，这些世界还可能拥有更深的岩浆储层，因此，灾难性的火山也更多。但Shim指出，还必须考虑其他参数，例如矿物质中水的浓度。

高压力

用两颗钻石，垫片可以施加不超过400千兆帕的压力，略高于地心的压力。为了探究超级地球的内部，他转向了世界上最明亮的X射线激光：位于加利福尼亚州门洛帕克的SLAC国家加速器实验室的Linac相干光源。该仪器会在样品内部产生冲击，产生高达600皮帕的压力，足以模拟两倍于地球的行星芯。

地质学家还使用其他大型设施来探测潜在的系外行星配方。Z机器可以达到1,000千兆帕斯卡的温度，这是行星内部预期的近三倍于地球质量的条件。法国Palaiseau和日本大阪的激光设施可以达到类似范围。一些研究人员转向加州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火设施，该设施用于研究核聚变，可使样品承受高达5,000千兆帕斯卡的压力，这是木星深部内部的压力。这些研究仍处于初步阶段，因为研究人员在这些设施中争夺时间并慢慢积累各种碱性化合物的数据。

归根结底，系外地质学家希望找到合适的元素组合来构建具有类地地质学的系外行星。哥伦布俄亥俄州立大学的地质学家温迪·潘内罗（Wendy Panero）说：“泪水要确定金戈洛克区的组成。”“岩石组成的不是太软，也不是太硬的宜居区域？” / p>

天文学：混乱中的行星

答案可能不明确。即使是完美的成分知识也可能无法告诉地质学家足够了解行星的状态。例如，地球在其早期历史中并未承载板块构造，而且预计不会永远如此。它的邻居维纳斯（Venus）显示出行星演化的差异程度。行星的质量，半径，成分以及距太阳的距离与地球相似。但是地球支撑着生命，而笼罩在二氧化碳雾中的金星已经死了。科罗拉多大学博尔德分校的地质学家斯蒂芬·莫伊齐斯（Stephen Mojzsis）怀疑，地球上板块构造的丧失最终将导致其类似于过热的同胞。他说：“这是不可避免的。”因此，尽管大多数早期的系外行星模型都集中在成分上，但系外地质学家可能最终必须包括其他因素，例如数十亿年的行星演化。

一些人期望这项工作将帮助天文学家确定寻找生命的目标是哪些行星。如果科学家知道维持磁场数十亿年所需的条件，或推动地幔中对流所需的元素比例，则可以建议其同事仔细研究符合这些条件的世界。然后，天文学家可以将功能强大的望远镜（例如计划于2019年发射的NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜）对准这些行星，以搜寻其大气层中潜在的外星生命迹象。

也有可能从远处发现地质活动。例如，大气中硫的瞬时上升可能间接表明存在活火山。随着行星旋转，反射率的变化可能暗示着大陆和海洋的存在，这也可能暗示了构造活动。

行星猎人寻求新的方法来探测外星生命

已经有可能在55 Cancrie上检测到火山活动。 2016年，伯尔尼大学的天文学家Brice-Olivier Demory和他的同事发表了5利用NASA红外Spitzer太空望远镜绘制的第一张行星热图。行星被潮汐锁定在恒星上，因此一个半球永恒地沐浴在阳光下，而另一个则是黑暗的。该行星最接近恒星应该是最热的，但是德莫里和他的同事发现最热的点似乎已被抵消。他们认为流动的熔岩正在带走热量（尽管最近的工作6认为可能是由风引起的）。

很明显，55 Cancri e绝不是生活的地方。但是其他世界可能更具吸引力。今年早些时候，Unterborn完成了一项研究，研究了1,000多颗类似太阳的恒星。利用它们的成分，他确定这些恒星中的三分之一可以容纳地壳密度足以沉入地幔的行星，而这一过程可能会使板块构造运动发展数十亿年。

尽管研究人员只是探索系外行星地质的开始，但卡尔森指出，对这些行星的研究已经产生了许多惊喜，尤其是行星似乎已经从其原始轨道发生了剧烈迁移的证据。这一发现使天文学家重新思考了太阳系的演化，并得出理论认为类似的运动可以帮助将水冰等物质运送到地球。卡尔森说：“不要认为人类像自然界一样具有想象力和创造力。”那么，了解那里的多样性将使我们对其他可能性睁开眼睛。那些其他可能性将帮助我们更好地了解我们的处境。

自然552，20-22（2017）