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萊斯大學(xué) 生命的要素取決于行星的形成方式和地點(diǎn)

萊斯大學(xué) 生命的要素取決于行星的形成方式和地點(diǎn)
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在過(guò)去的幾十年里，人類在太陽(yáng)系之外發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)量已經(jīng)增長(zhǎng)到數(shù)千顆。目前，已在3260個(gè)系統(tǒng)中確認(rèn)了4389顆系外行星，還有5941顆候選行星正在等待確認(rèn)。通過(guò)大量的后續(xù)觀察和研究，科學(xué)家們已經(jīng)對(duì)我們宇宙中存在的行星類型、行星如何形成以及它們?nèi)绾窝莼辛舜罅康牧私狻?br />所有這一切的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是，隨著時(shí)間的推移，行星會(huì)如何變得（并保持）適宜居住。一般來(lái)說(shuō)，天體生物學(xué)家的工作是基于這樣的假設(shè)，即宜居性取決于行星在系統(tǒng)內(nèi)的軌道位置 —— 在其母恒星的宜居帶（HZ）內(nèi)。然而，來(lái)自萊斯大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)的新研究表明，行星在其各自的恒星系統(tǒng)中形成的位置可能同樣重要。
這項(xiàng)研究最近發(fā)表在《自然地球科學(xué)》(Nature Geoscience)上，由賴斯大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)完成。他們深入研究了恒星的適居帶以外的因素，以考慮行星形成的相關(guān)因素將如何最終影響其宜居性。
萊斯大學(xué) 生命的要素取決于行星的形成方式和地點(diǎn)
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上圖：萊斯大學(xué)科學(xué)家的一項(xiàng)研究表明，恒星系統(tǒng)中行星形成的位置將對(duì)其宜居性起到至關(guān)重要的作用。
基本上，恒星的HZ（宜居帶）指的是繞軌道運(yùn)行的行星將經(jīng)歷足夠溫暖的條件，以支持其表面的液態(tài)水和豐富的大氣 —— 這是生命的關(guān)鍵成分。但是，在考慮了構(gòu)成行星的元素之后，科學(xué)家們得出結(jié)論，一個(gè)行星在形成過(guò)程中捕獲和保留的揮發(fā)性元素的數(shù)量，也將決定它是否適合居住。
其核心是，物質(zhì)從環(huán)繞太陽(yáng)的圓盤吸積成原行星所需的時(shí)間，以及原行星分化成不同的層（金屬內(nèi)核、硅酸鹽地幔和地殼以及大氣包裹層）所需的時(shí)間。這兩個(gè)過(guò)程之間的平衡，對(duì)于決定巖質(zhì)行星將保留哪些可產(chǎn)生生命的揮發(fā)性元素至關(guān)重要，尤其是氮、碳和水。
利用萊斯大學(xué)的高壓實(shí)驗(yàn)室，研究小組使用氮作為揮發(fā)物的替代品，并模擬了原生行星是如何經(jīng)歷分化的。他們發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)過(guò)程中，原行星中的大部分氮從地幔中流失并逃逸到大氣中。從那里，隨著原行星在下一階段的生長(zhǎng)過(guò)程中冷卻或與其他天體相撞，氮?dú)饩蜁?huì)流失到太空中。
然而，如果金屬內(nèi)核保留了足夠的氮，那么它仍然具有足夠的重要性。隨著時(shí)間的推移，它將有助于稍后形成“類似地球”的大氣層（在那里它將作為緩沖氣體發(fā)揮重要作用）。由此，研究人員能夠建立熱力學(xué)模型，以及它如何影響氮在原行星大氣層、熔融硅層和內(nèi)核之間的分布。
【 萊斯大學(xué)|生命的要素取決于行星的形成方式和地點(diǎn)】萊斯大學(xué) 生命的要素取決于行星的形成方式和地點(diǎn)
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上圖：藝術(shù)家對(duì)不同類型恒星的宜居帶范圍的描繪。
主持此項(xiàng)研究的科學(xué)家在萊斯大學(xué)的新聞聲明中解釋說(shuō)：
“我們通過(guò)將含氮金屬和硅酸鹽粉末的混合物置于近3萬(wàn)倍的大氣壓下，并將它們加熱到熔點(diǎn)以上，來(lái)模擬高壓—高溫條件。在回收的樣品中，嵌在硅酸鹽玻璃中的小金屬斑點(diǎn)分別是原行星的內(nèi)核和地幔類似物。”
“我們意識(shí)到，所有這些儲(chǔ)層之間的氮?dú)夥逐s對(duì)原星體的大小非常敏感。利用這個(gè)想法，我們可以計(jì)算出氮是如何隨著時(shí)間的推移在原行星體的不同儲(chǔ)層之間分離，最終形成一個(gè)像地球一樣的宜居行星的。”
自然，這項(xiàng)研究對(duì)我們理解45億多年前地球是如何形成的具有重要意義。從他們的研究結(jié)果來(lái)看，來(lái)自原行星盤的物質(zhì)似乎快速增長(zhǎng)，在它完成分化過(guò)程并呈現(xiàn)出目前的金屬核、硅酸鹽地幔/地殼和氣體包層排列之前，形成了月球或火星大小的行星胚胎。
對(duì)于整個(gè)太陽(yáng)系，科學(xué)家們估計(jì)行星胚胎是在太陽(yáng)之后100-200萬(wàn)年內(nèi)形成的，剩下的星云物質(zhì)形成了圍繞太陽(yáng)的圓盤 —— 這比之前認(rèn)為的要早得多。如果這些胚胎的分化速度快于胚胎的生長(zhǎng)速度，那么這些巖石行星都不會(huì)積累到足夠的揮發(fā)物，地球也就不會(huì)形成生命所必需的條件。
萊斯大學(xué) 生命的要素取決于行星的形成方式和地點(diǎn)
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上圖：藝術(shù)家的概念是原始地球和忒伊亞（太陽(yáng)系中曾經(jīng)的一顆行星）之間的碰撞，被認(rèn)為發(fā)生在45億年前。
研究團(tuán)隊(duì)中的另一位科學(xué)家，同時(shí)還是CLEVER行星項(xiàng)目的首席研究員。CLEVER行星項(xiàng)目項(xiàng)目（由美國(guó)宇航局資助）致力于探索生命所必需的元素是如何在整個(gè)宇宙的巖石行星上聚集在一起的。該科學(xué)家總結(jié)道：
“我們的計(jì)算表明，通過(guò)行星胚胎形成地球大小的行星，這些胚胎在經(jīng)歷金屬—硅酸鹽分化之前生長(zhǎng)得非常快，為滿足地球的氮預(yù)算提供了一條獨(dú)特的途徑。這項(xiàng)研究表明，氮對(duì)形成核心的金屬液體的親和力，比以前認(rèn)為的要大得多。”

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