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从星尘到暗淡蓝点:宇宙中的碳元素如何来到地球

时间: 2021年04月27日 | 作者: Admin | 来源: 密歇根大学
天文学家卡尔·萨根有句名言:我们都是星尘。而包括美国密歇根大学在内的两个研究团队分别发现,这可能比我们先前认为的更真实。


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图片来源:Pixabay


来源 密歇根大学

翻译 阿金

审校 戚译引


第一项研究来自密歇根大学的 Jie Li 团队,发表在《科学进展》(Science Advances)期刊上。该研究表明,地球上的大部分碳很可能来自于星际物质,即存在于星系各恒星之间的太空物质。这很可能发生在原行星盘(protoplanetary disk)形成和升温一段时间之后。原行星盘是尘埃和气体形成的云团,环绕我们年轻的太阳,其中蕴含着构成行星的基本成分 。


碳可能是在太阳诞生后一百万年之内形成了固体物质,这意味着作为地球生命基石的碳元素跨越星际之旅,顺利抵达我们的星球。


此前,科学家认为地球上的碳来自最初存在于星云气体中的分子,当气体冷却到足以沉积之时,被岩石行星吸收。Li的团队成员包括密歇根大学的天文学家 Edwin Bergin、加州理工学院(California Institute of Technology)的 Geoffrey Blake、芝加哥大学( University of Chicago)的 Fred Ciesla 和明尼苏达大学(University of Minnesota)的 Marc Hirschmann,他们在研究中指出,携带碳的气体分子无法参与地球的构建,因为一旦碳元素蒸发出去,就不会再凝聚形成固体。


“凝聚模型(condensation model)在过去几十年中应用广泛。该模型假设,太阳形成过程中,组成的所有行星元素得到蒸发,随着原行星盘冷却下来,一些气体凝聚起来,为固态天体提供化学成分。但这模型不适用于碳元素。”Li 讲道,她是密歇根大学地球和环境科学系教授。


许多碳以有机分子的形式进入星盘。然而,一旦碳元素蒸发,它就会形成挥发性强得多的物质,需要极低的温度才能重新形成固体。更重要的是,碳元素不会再凝聚形成有机物形式。因此,Li 和团队推测,地球上的大部分碳可能直接来自于星际物质,完全不经过蒸发过程。


为了更好理解地球如何获得碳元素,Li 估算了地球的最高含碳量。为此,她比较了地震波穿过地核的速度和已知的地核内声速。结果表明,碳元素占据了不到 0.5% 的地球质量。理解地球碳含量的可能上限让研究人员知道碳元素何时抵达地球。


“我们提出了一个与众不同的问题:我们追问地核能容纳多少碳,同时仍能与所有常数保持一致。”Bergin解释说,“这里有不确定因素。不过让我们接受这一不确定性,寻找地球最深处碳含量的真正上限,结果会告诉我们身处的真实环境。”Bergin是密歇根大学天文系教授和系主任。


行星碳含量必须比例适中,才能维持生命存在。如果碳太多,地球大气层就就会像金星一样,来自太阳的热量无法扩散到外界,让行星温度保持在 880 华氏度(约 471 摄氏度)左右。如果碳太少,地球就会像火星一样成为一片不毛之地:无法支持基于水的生命存在,温度保持在零下 60 华氏度(零下 51 摄氏度)。


第二项研究来自同一作者团队,但由明尼苏达大学地球和环境科学教授 Hirschmann 领导。研究人员调查了行星的小型前体——微行星(planetesimal)在早期形成过程中保留碳的同时如何处理碳。他们检查了这些如今作为铁陨石留存下来的天体内的金属内核,发现在行星起源的关键时刻,随着微行星的融化,大部分碳必定会流失,形成地核,并损失气体。Hirschmann 表示,这颠覆了以前的理论。


“大部分模型认为,碳和水、氮等其他生命必需物质脱胎于星云,进入原始岩石天体内,然后落入不断成长的行星,例如地球或者火星。”Hirschmann 解释说,“但这跳过了关键一步,微行星在被行星吸收之前已在这一步流失了大部分碳。”


Hirschmann 的研究近期发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)。


“行星需要碳来调节自身气候,让生命得以存在,但这其中有微妙的平衡。”Bergin 说,“你不想要碳过少,但也不需要太多。”


Bergin 表示,两项研究都描述了碳流失的两大不同方面,而碳流失似乎是将地球建设为宜居行星的核心。


“只有联合像天文学和地球化学这样的学科,才能帮忙回答宇宙其他地方是否存在类地球行星,”加州大学的地球物理科学教授 Ciesla 说道,“虽然不同领域的研究人员采用的方法、所要回答的专业问题不尽相同,但构建一段连贯的历史要求首先确定共同感兴趣的话题,找到方法弥合其中的知识鸿沟。这种做法很有挑战,但这项工作也是鼓舞人心、回报丰厚的。”


加州理工的宇宙化学、行星科学和化学教授 Blake 是这两项研究的合作者,他说这样的跨学科研究很关键。


“仅仅就我们星系的历史而言,围绕类似太阳一样的恒星形成像地球一样或者更大一些的岩石行星,这一过程已经发生过数亿次,”他说,“我们能不能扩展这项研究,在更大范围内检验行星系统的碳损失问题呢?像这样的研究将需要集结更多元的科学家。”


参考来源:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/uom-fst033121.php