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作者:晉楠 來源:中國科學報 發布時間:2021/9/21 15:05:15
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鉀同位素研究表明
火星宜居性受體積限制
 
 
 
藝術家繪制的火星與類似地表的水。圖片來源:Sean Garcia/華盛頓大學
 
水對地球和其他行星上的生命來說必不可少,科學家已經發現大量證據表明,火星早期歷史中存在水。但現在的火星表面并沒有液態水。美國華盛頓大學圣路易斯分校的一項新研究提出了一個根本性的原因:火星可能體積太小,無法保留大量的水。
 
對上世紀80年代的火星隕石進行的遙感研究和分析認為,與地球相比,火星曾經富含水。美國航天局的維京軌道飛行器,以及最近火星表面的“好奇號”和“毅力號”漫游車傳回了以河谷和洪道為標志的火星景觀的引人注目的圖像。
 
盡管有這些證據,但火星表面的確沒有液態水。研究人員提出了許多可能的解釋,包括火星磁場的減弱可能導致豐厚大氣的流失。9月20日發表在美國《國家科學院院刊》的一項研究認為,今天的火星看起來與“藍色大理石”地球如此不同,還有一個更根本的原因。
 
“火星的命運從一開始就注定了。”華盛頓大學藝術與科學學院地球與行星科學助理教授、該研究領銜作者王坤(音譯)說,“巖石行星的體積,包括哪些體積超過火星的巖石行星,可能有一個臨界值以保持足夠的水,來支持其宜居性和板塊構造。”
 
在新研究中,王坤和合作者使用鉀元素的穩定同位素來估計揮發性元素在不同行星上的存在、分布和豐度。
 
鉀是一種中等揮發性的元素,但科學家舉行用它作為水等更具揮發性的元素和化合物的示蹤劑。這是一種相對較新的方法,不同于以往利用遙感和化學分析收集的鉀釷比率來確定火星曾經有過的揮發物的數量。在之前的研究中,該研究小組使用鉀示蹤劑的方法來研究月球的形成。
 
研究團隊測量了之前確認的20塊火星隕石的鉀同位素組成,這些隕石被看作是火星大塊硅酸鹽組成的代表。他們確定火星在形成過程中比地球損失了更多的鉀和其他揮發物,但保留了比月球和灶神星更多的這些揮發物,這兩個天體比地球和火星小得多,也干燥得多。
 
研究人員發現,行星大小和鉀同位素組成之間存在明確的關聯。“在火星等行星中,揮發性元素及其化合物的豐度遠低于原始未分化的隕石,這是一個長期存在的問題。”該研究共同作者、華盛頓大學地球和行星科學研究教授Katharina Lodders說,“這是一項新發現,對于不同的行星何時以及如何接收和失去它們的揮發物具有重要的定量意義。”
 
“火星隕石是我們可以用來研究火星整體化學組成的唯一樣本。”王坤說,“其年齡從數億年到40億年不等,記錄了火星不穩定的演化歷史。通過測定鉀等中揮發性元素的同位素,可以推斷出體積行星的揮發性耗竭程度,并對不同太陽系天體進行比較。”
 
“火星表面曾經有液態水,這是無可爭議的,但僅通過遙感和漫游者機器人開展研究,很難量化火星上曾經有多少水。”王坤說,“有很多關于火星水分含量的模型。在其中一些地區,早期的火星甚至比地球還要潮濕。我們認為情況并非如此。”
 
研究人員指出,這一發現對尋找火星以外的其他行星上的生命具有啟示意義。離太陽太近(或者距離其恒星太近的系外行星)會影響行星體能夠保留的揮發物的數量。這種距離測量經常被納入恒星周圍“宜居帶”的指數中。
 
“這項研究強調,足以形成適宜居住的、水不會少也不會太多的表面環境的行星范圍非常受限。”研究共同作者、瑞士伯爾尼大學空間和宜居性中心的Klaus Mezger說,“這些結果將指導天文學家在其他太陽系中尋找可居住的系外行星。”王坤認為,對于位于宜居帶內的行星來說,在考慮一顆系外行星能否維持生命時,行星的大小應該被更加強調,并納入常規考慮。
 
相關論文信息:
 
https://doi.org/10.1073/pnas.2101155118
 
 
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