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从星际尘埃到“暗淡蓝点”:碳元素如何来到地球?

时间:2021-05-29 22:49:25 点击:

  核心提示: 有一种说法是,我们都是由星际尘埃构成的。近期的两项研究发现,这一说法可能比我们之前认为的更接近事实。 “暗淡蓝点”(Pale Blue Dot)是一张由旅行者1号拍摄的著名地球图片,显示了地球悬浮...

有一种说法是,我们都是由星际尘埃构成的。近期的两项研究发现,这一说法可能比我们之前认为的更接近事实。


“暗淡蓝点”(Pale Blue Dot)是一张由旅行者1号拍摄的著名地球图片,显示了地球悬浮在太阳系漆黑的背景中。有一种说法是,我们都是由星际尘埃构成的。近期的两项研究发现,这一说法可能比我们之前认为的更接近事实。


第一项研究由密歇根大学地球与环境科学系教授李洁[Jie (Jackie) Li]领导,发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上。该研究发现,地球上的大部分碳可能来自星际物质,而这一过程很可能发生在原行星盘形成并升温很久之后。星际物质是指存在于星系中恒星系统之间的太空物质和辐射,而原行星盘是围绕早期太阳运转的尘埃和气体云,其中包含了行星的基本组成部分。


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一颗年轻恒星的想象图,此时其周围是一个正在形成行星的原行星盘。图片来源:欧洲南方天文台


碳也可能在太阳诞生后的100万年里被封存在固体中,这意味着,碳在经过了漫长的星际旅行之后,才最终到达了地球,并成为地球生命的主要组成元素。


此前,研究人员认为地球上的碳来自于最初存在于星云气体中的分子;当星云气体冷却到足以使这些分子沉降时,它们就会凝聚成一颗岩石行星。李洁教授的团队(包括密歇根大学、加州理工学院、芝加哥大学和明尼苏达大学的研究者)在这项研究中指出,星云中携带碳的气体分子并不会用于构建地球,因为碳在蒸发之后并不会压缩回固体。


李洁教授说:“凝聚模型已经被广泛应用了几十年。该模型假设,在太阳形成的过程中,地球上所有的元素都蒸发了,而随着原行星盘的冷却,一些气体开始凝结,并为行星固体部分提供化学成分。但对碳而言,情况并非如此。”


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阿波罗17号任务拍摄的地球图片,展示了整个半球的水、陆地和云层情况。该图片第一次展现了南极冰盖,以及几乎整个非洲的海岸线和阿拉伯半岛。图片来源:美国国家航空航天局


大部分碳以有机分子的形式被输送到原行星盘上。然而,当碳蒸发时,会产生挥发性更强的物质,需要非常低的温度才能形成固体。更重要的是,碳不会再次凝结成有机形式。因此,李洁教授的团队推断,地球上的大部分碳很可能直接来自星际物质,并没有全部经历蒸发过程。


为了更好地理解地球如何获取这些碳,李洁教授估计了地球能包含的最大碳含量。为此,她比较了地震波通过地核的速度和已知地核的声速。研究人员发现,碳可能只占地球质量的不到0.5%。了解地球碳含量的上限有助于了解碳可能在什么时候到达地球。


“我们问了一个不一样的问题:你可以在地核中填入多少碳,同时仍符合所有的限制条件,”密歇根大学天文系教授兼系主任埃德温·伯金说,“这里存在不确定性。我们要接纳这种不确定性,了解地球深处碳含量的真正上限是什么,这将告诉我们所处环境的真实情况。”


正如我们所知,一颗行星必须含有适当比例的碳,才能维持生命。如果碳含量过高,地球的大气层就会像金星一样,吸收来自太阳的热量,并保持大约470摄氏度的高温;如果碳含量过低,地球就会像火星一样,成为一个不适宜生存的地方,无法支持以水为基础的生命,平均温度在零下55摄氏度左右。


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著名的“暗淡蓝点”图片,这是旅行者1号在64亿公里外拍摄的地球图片,可见地球只是太阳光束上一个渺小的“暗淡蓝点”(图中人工加上了蓝圈)


在另一项由明尼苏达大学的地球和环境科学教授马克·赫希曼所领导的研究中,研究人员分析了行星的微型前体,即所谓的微行星(planetesimal)在形成早期如何对碳元素进行处理,以将其保留下来。通过检查这些微行星的金属核(如今已经变成铁陨石的形式),他们发现,在行星起源的这一关键步骤中,大部分的碳在微行星熔化、形成核心并失去气体的过程中丢失了。赫希曼指出,这颠覆了之前的观点。


“大多数模型都认为碳和其他生命必需物质,如水和氮气等,都是从星云进入原始的微行星岩石体,然后被输送到不断生长的行星,如地球或火星,”赫希曼说,“但这些模型跳过了一个关键步骤,即微行星在吸积到行星之前,会失去大部分的碳。”


赫希曼等人的研究发表在近期的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。


“地球需要碳来调节气候,让生命得以生存,但这是一件非常微妙的事情,”埃德温·伯金说,“碳的含量不能太少,但也不能太多。”他还表示,这两项研究描述了碳损失的两个不同方面,并且表明碳损失似乎在地球成为一个宜居星球的过程中,发挥着关键作用。


“要回答宇宙中其他地方是否存在类地行星的问题,只能通过天文学和地球化学等学科的交叉研究。”加州大学地球物理科学教授弗雷德·西斯拉说,“尽管不同领域的研究人员所取得的进展和所要解决的具体问题各不相同,但构建一个连贯的故事需要找到共同感兴趣的主题,并找到弥合彼此之间知识差距的方法。这样做很有挑战性,但这种努力既令人兴奋,也将带来回报。”


杰弗里·布莱克是这两项研究的共同作者,也是加州理工学院的宇宙化学、行星科学和化学教授。他表示,这种跨学科的工作至关重要。“仅在银河系的历史上,在类似太阳的恒星周围,像地球或更大一点的岩石行星已经凝聚了数亿次,”他说,“我们能否扩展这项工作,对行星系统中的碳损失进行更广泛的分析?这样的研究将需要更加多元化的学者群体。”

作者:不详 来源:网络
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