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天文新发现 没有这颗超新星,就没有地球生物

Planète sèche - planète-océan

左边是一颗与地球相似,被铝的同位素铝26加热的行星。右边则是没有这种原始热量来源的同一个天体,它完全被数百甚至数千公里深的汪洋覆盖。

(©Thibaut Roger)

会不会是一场宇宙大灾难,使得地球变成适合生命存在的天体?瑞士、德国和美国的几位年轻科研人员提出了这种假设,认为地球的形成与铝的放射性同位素铝26、原始星云、行星形成时的水量,以及一颗超新星有关。

我们在说什么

本文提到的论文(英)外部链接名为《受铝26加热的岩石原行星的水量对比》(A water budget dichotomy of rocky protoplanets from 26Al-heating),被刊登在《自然-天文学》(英)外部链接 2019年2月号上。论文作者是时为苏黎世联邦理工学院(ETHZ)博士生的蒂姆·利希滕贝格(Tim Lichtenberg,现在牛津大学),和苏黎世、伯尔尼、德国拜罗伊特与美国密歇根州安娜堡的另五位同事及一位教授。

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地球是否蕴含着丰富的水资源?如果我们是从太空瞭望地球,那么答案似乎不言而喻。难道不是那覆盖了地球逾三分之二表面积的四大洋,给了地球“蓝色星球”的称号吗?然而表象具有欺骗性。如下图所示,如果把所有的海洋、湖泊、河流、含水层、冰川与极地冰盖的水都加在一起,我们得到的是一个仅能覆盖法国或德克萨斯这类美国大州的水泡……

这样一来,我们就能明白为什么天体物理学家敢说地球是颗“干旱的”行星。而且对我们来说,幸亏它如此干旱……

实际上,我们生存的地球是颗被染成蓝色的褐色行星。把地球上所有的水加在一起,其总体积勉强达到14亿立方米,相当于地球总体积的0.023%。而在这个大水泡里,饮用水仅占2.5%。

(© Howard Perlman, USGS, Jack Cook, Woods Hole Oceanographic Institution, Adam Nieman)

铝26与水

那么地球为何会这么干旱?要弄明白这个问题,需要把时钟倒拨大约46亿年。那时我们的太阳系还是个由气体与尘埃构成的巨大而冰冷的星云,正慢慢开始收缩和自转。重力作用将物质吸引到星系中心,从而诞生了太阳,而周围的残余物后来形成了行星、小行星和彗星。

这个原始星云中存在着水-以冰晶方式呈现的大量的水。

水,即H2O,是最简单的分子之一,也是宇宙中最丰富的分子之一。宇宙中也有铝26,即铝的一种同位素(法)外部链接,化学符号为26AI外部链接。它具有放射性,在缓慢衰变的过程中会释放出大量热能。面对这种热能,再加上刚刚开始燃烧的太阳,水完全不是它们的对手。

数百万年后当行星已经形成,金星、水星、地球与火星这四个太阳系岩石行星最初的水已基本蒸发净尽。不过太阳系中的水并未完全消失。在远离太阳,接收到较少日光热量的地方,随着铝26的逐渐衰变,人们依然能在巨行星(木星、土星、天王星和海王星)、彗星与小行星上找到大量的冰。

正是这些星体对地球的不断“轰炸”,令贫瘠的地球重新获得了水。这点儿只够形成一个大水泡的水,如今却让我们的星球穿上了蓝色的“外衣”。

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Vidéo expliquant la naissance de notre système solaire

数年的计算

这一切已为人所知,也有大量相关资料。“现在铝26已经完全消失,但我们在陨石里找到了它们分解成的元素,”蒂姆·利希滕贝格(Tim Lichtenberg)解释道:“我们最初的想法,是铝26对新生星系的收缩作用改变了行星形成过程中的水量,从而改变了行星本身。”

PlanetS项目

利希滕贝格及其同事进行的研究隶属于瑞士国家科研能力中心的PlanetS (多语)外部链接项目。自1995年和(瑞士人)发现首颗系外行星以来,我们对星系形成的认识有了大量进展。PlanetS项目已产生出逾200份科研出版物,并将负责研究瑞士太空望远镜系外行星特性探测卫星(CHEOPS,多语)外部链接发回的数据。在经过几次推迟后,这颗探测卫星将于今年秋季发射升空。

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这位年轻的博士生及其同事用了几年时间,基于各种资料模拟了成千上万的行星形成过程,最后做出的结论是:如果没有铝26的贡献,普通行星(2-4倍于地球的体积)基本上都会成为海洋行星(法)外部链接。这种没有陆地的天体似乎充斥着整个银河系,因为至今发现的近4000颗系外行星中有三分之一都是海洋行星。

巨星的馈赠

那么,使行星“脱水”的放射性金属铝26是从哪里来的?“我们知道大质量恒星中含有大量铝26。因此它可能来自我们所在星系附近的一颗超新星外部链接的爆炸。天文学界目前仍在就这种猜想进行讨论。另一种解释,则是某颗大质量恒星受巨大引力作用坍缩爆炸,产生的风暴向外喷射出这种铝,”利希滕贝格概括说。

有一点几乎可以肯定,那就是若不是在一颗行将毁灭或爆炸-其灾难的威力超出我们的想像-的巨大恒星附近(15-30光年),地球绝对不会是现在这幅模样。

“水在地球体积中所占比例可能多至30%。地球的半径也会长出15%,它的表面会完全被深达数千公里的大洋覆盖。受水的压力作用,大洋底部将是厚厚的冰层,”伯尔尼大学太空与宜居性中心(CSH,英)外部链接教授克里斯托夫·莫尔达西尼(Christoph Mordasini)指出。他也是论文的作者之一。

在这样的条件下,根本就不可能发展出为我们所熟悉的生命。因为大洋深处的冰层阻隔了火山气体的喷发,而后者正是大气层氧化与气候稳定化不可或缺的因素。

supernova

Vidéo explosion d'une supernova

科学的审慎

有人认为生命产生需要非常多的条件,而宇宙中完全具备这些条件的行星很罕见,甚至极其罕见。那么通过凸显铝26在宜居行星形成中的作用,利希滕贝格和他的同事们是不是给有这种想法的人提供了又一个论据?

“这确实是支持同样‘剧情’在另一个地球上的复制可能性很小的论据,”莫尔达西尼承认。

至于利希滕贝格,他不愿对此表态。“的确,人们日益意识到,像地球这样的行星数目肯定非常稀少。但说到生命的话,那就要看您的想像了……”既然谈到这个问题,那么对于有一天找到某种外星生命的可能性,这位博士后是持乐观态度,还是持悲观态度呢?“回答这个问题很危险。我唯一能说的,就是这个问题值得被提出来,”他以科学的审慎回避作答。

伯尔尼模型

为了进行计算,以蒂姆·利希滕贝格为首的几位论文作者使用了“伯尔尼模型”(Modèle de Berne)来模拟行星系的形成。这个模型由伯尔尼大学开发,并为全世界研究人员广泛采用,它包含了最大限度的已知参数,以便根据形成恒星及其行星的星云特性来预测它们未来的模样。

这个模型主要让我们了解到两件事:

- 初始条件的多样性造成了现有已知行星系的多样性;

- 原始星云中的尘埃越多,行星的质量也越大。

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(翻译:小雷), 瑞士资讯swissinfo.ch

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