北京時間 5 月 27 日消息，“暗淡藍點”（Pale Blue Dot）是一張由旅行者 1 號拍攝的著名地球圖片，顯示了地球懸浮在太陽系漆黑的背景中。有一種說法是，我們都是由星際塵埃構(gòu)成的。近期的兩項研究發(fā)現(xiàn)，這一說法可能比我們之前認為的更接近事實。
第一項研究由密歇根大學(xué)地球與環(huán)境科學(xué)系教授李潔 [Jie （Jackie） Li] 領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)表在《科學(xué)進展》（Science Advances）雜志上。該研究發(fā)現(xiàn)，地球上的大部分碳可能來自星際物質(zhì)，而這一過程很可能發(fā)生在原行星盤形成并升溫很久之后。星際物質(zhì)是指存在于星系中恒星系統(tǒng)之間的太空物質(zhì)和輻射，而原行星盤是圍繞早期太陽運轉(zhuǎn)的塵埃和氣體云，其中包含了行星的基本組成部分。
▲一顆年輕恒星的想象圖，此時其周圍是一個正在形成行星的原行星盤。圖片來源：歐洲南方天文臺
碳也可能在太陽誕生后的 100 萬年里被封存在固體中，這意味著，碳在經(jīng)過了漫長的星際旅行之后，才最終到達了地球，并成為地球生命的主要組成元素。
此前，研究人員認為地球上的碳來自于最初存在于星云氣體中的分子；當星云氣體冷卻到足以使這些分子沉降時，它們就會凝聚成一顆巖石行星。李潔教授的團隊（包括密歇根大學(xué)、加州理工學(xué)院、芝加哥大學(xué)和明尼蘇達大學(xué)的研究者）在這項研究中指出，星云中攜帶碳的氣體分子并不會用于構(gòu)建地球，因為碳在蒸發(fā)之后并不會壓縮回固體。
李潔教授說：“凝聚模型已經(jīng)被廣泛應(yīng)用了幾十年。該模型假設(shè)，在太陽形成的過程中，地球上所有的元素都蒸發(fā)了，而隨著原行星盤的冷卻，一些氣體開始凝結(jié)，并為行星固體部分提供化學(xué)成分。但對碳而言，情況并非如此。”
▲阿波羅 17 號任務(wù)拍攝的地球圖片，展示了整個半球的水、陸地和云層情況。該圖片第一次展現(xiàn)了南極冰蓋，以及幾乎整個非洲的海岸線和阿拉伯半島。圖片來源：美國國家航空航天局
大部分碳以有機分子的形式被輸送到原行星盤上。然而，當碳蒸發(fā)時，會產(chǎn)生揮發(fā)性更強的物質(zhì)，需要非常低的溫度才能形成固體。更重要的是，碳不會再次凝結(jié)成有機形式。因此，李潔教授的團隊推斷，地球上的大部分碳很可能直接來自星際物質(zhì)，并沒有全部經(jīng)歷蒸發(fā)過程。
為了更好地理解地球如何獲取這些碳，李潔教授估計了地球能包含的最大碳含量。為此，她比較了地震波通過地核的速度和已知地核的聲速。研究人員發(fā)現(xiàn)，碳可能只占地球質(zhì)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時候到達地球。
“我們問了一個不一樣的問題：你可以在地核中填入多少碳，同時仍符合所有的限制條件，”密歇根大學(xué)天文系教授兼系主任埃德溫?伯金說，“這里存在不確定性。我們要接納這種不確定性，了解地球深處碳含量的真正上限是什么，這將告訴我們所處環(huán)境的真實情況?！?/p>
正如我們所知，一顆行星必須含有適當比例的碳，才能維持生命。如果碳含量過高，地球的大氣層就會像金星一樣，吸收來自太陽的熱量，并保持大約 470 攝氏度的高溫；如果碳含量過低，地球就會像火星一樣，成為一個不適宜生存的地方，無法支持以水為基礎(chǔ)的生命，平均溫度在零下 55 攝氏度左右。
▲著名的“暗淡藍點”圖片，這是旅行者 1 號在 64 億公里外拍攝的地球圖片，可見地球只是太陽光束上一個渺小的“暗淡藍點”（圖中人工加上了藍圈）
在另一項由明尼蘇達大學(xué)的地球和環(huán)境科學(xué)教授馬克?赫希曼所領(lǐng)導(dǎo)的研究中，研究人員分析了行星的微型前體，即所謂的微行星（planetesimal）在形成早期如何對碳元素進行處理，以將其保留下來。通過檢查這些微行星的金屬核（如今已經(jīng)變成鐵隕石的形式），他們發(fā)現(xiàn)，在行星起源的這一關(guān)鍵步驟中，大部分的碳在微行星熔化、形成核心并失去氣體的過程中丟失了。赫希曼指出，這顛覆了之前的觀點。
“大多數(shù)模型都認為碳和其他生命必需物質(zhì)，如水和氮氣等，都是從星云進入原始的微行星巖石體，然后被輸送到不斷生長的行星，如地球或火星，”赫希曼說，“但這些模型跳過了一個關(guān)鍵步驟，即微行星在吸積到行星之前，會失去大部分的碳?！?/p>
赫希曼等人的研究發(fā)表在近期的《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。
“地球需要碳來調(diào)節(jié)氣候，讓生命得以生存，但這是一件非常微妙的事情，”埃德溫?伯金說，“碳的含量不能太少，但也不能太多?！彼€表示，這兩項研究描述了碳損失的兩個不同方面，并且表明碳損失似乎在地球成為一個宜居星球的過程中，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
“要回答宇宙中其他地方是否存在類地行星的問題，只能通過天文學(xué)和地球化學(xué)等學(xué)科的交叉研究。”加州大學(xué)地球物理科學(xué)教授弗雷德?西斯拉說，“盡管不同領(lǐng)域的研究人員所取得的進展和所要解決的具體問題各不相同，但構(gòu)建一個連貫的故事需要找到共同感興趣的主題，并找到彌合彼此之間知識差距的方法。這樣做很有挑戰(zhàn)性，但這種努力既令人興奮，也將帶來回報?！?/p>
杰弗里?布萊克是這兩項研究的共同作者，也是加州理工學(xué)院的宇宙化學(xué)、行星科學(xué)和化學(xué)教授。他表示，這種跨學(xué)科的工作至關(guān)重要。“僅在銀河系的歷史上，在類似太陽的恒星周圍，像地球或更大一點的巖石行星已經(jīng)凝聚了數(shù)億次，”他說，“我們能否擴展這項工作，對行星系統(tǒng)中的碳損失進行更廣泛的分析？這樣的研究將需要更加多元化的學(xué)者群體?！?/p>
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