形成月球的行星碰撞使地球上的生命成為可能

形成月球的行星碰撞使地球上的生命成為可能

研究:行星運輸解釋了地球碳和氮的神秘特徵

地球上的大部分生命必需元素——包括你體內的大部分碳和氮——可能來自另一個星球。萊斯大學(Rice University)的巖石學家在《科學進展》(Science Advances)期刊上發表的一項新研究顯示，地球上的碳、氮和其他生命必需的揮發性元素，很可能是在44億年前的行星碰撞中形成的。

從對原始隕石的研究中，科學家們早就知道，地球和太陽系內部其他巖石行星的揮發物都被耗盡了。但人們一直在熱烈討論這種不穩定傳遞的時機和機制。我們的方案是第一個可以解釋時間和交付方式的方案，這種方式與所有地球化學證據一致。該證據是由Dasgupta實驗室的高溫高壓實驗組合而成的，該實驗室專門研究地球化學反應，這些反應發生在行星深處的高溫高壓環境中。

在一系列實驗中，達曼維爾·格里瓦爾(Damanveer Grewal)收集了證據，以檢驗一個長期存在的理論，即地球的揮發物來自於與一顆核心含硫豐富的胚胎行星的碰撞。由於一系列令人困惑的實驗證據表明，除了地核以外，地球上所有地方都存在碳、氮和硫，所以這顆捐贈行星的地核的硫含量很重要。「地核不與地球其他部分相互作用，但它上面的一切，地幔、地殼、水圈和大氣，都是相互聯繫的，」格里瓦爾說。「它們之間的物質循環。」

關於地球是如何接收揮發物的一個長期存在的觀點是「後期貼面」理論，即富含揮發物的隕石，即太陽系外原始物質的殘餘物，是在地核形成之後到達地球的。雖然地球的揮發物的同位素特徵匹配這些原始對象,稱為碳質球粒隕石,元素碳氮比。地球的非核心材料,地質學家稱之為地球大部分矽酸鹽,大約有40部分碳氮,每個部分大約為20:1比率在碳質球粒隕石的兩倍。

Grewal的實驗模擬了地核形成過程中的高壓和高溫，驗證了一種觀點，即富含硫的行星地核可能排除碳或氮，或者兩者兼而有之，與地球相比，這些元素在大塊矽酸鹽中所占比例要大得多。在一系列溫度和壓力範圍內的測試中，Grewal在三種情況下檢測了有多少碳和氮進入了內核:無硫、10%的硫和25%的硫。「氮基本上不受影響，」他說。「相對於矽酸鹽，它仍可溶於合金中，只是在最高硫濃度下才開始從巖心中被排除。」相比之下，碳在中等硫濃度的合金中溶解度要低得多，含硫合金的含碳量約為無硫合金的10倍。

達斯古普塔、格里瓦爾和萊斯大學博士後研究員孫晨光利用這些信息，以及已知的地球和非地球物體中元素的比例和濃度，設計了一個計算機模擬程序，以找出產生地球揮發物的最可能場景。找到答案需要改變初始條件，運行大約10億個場景，並將它們與今天太陽系的已知條件進行比較。「我們發現的是，所有證據——同位素特徵、碳氮比以及矽酸鹽地球整體碳、氮和硫的總量——都與一顆含有揮發物、火星大小、核心含硫豐富的行星的成月撞擊相一致，」格里瓦爾說。

達斯古普塔是美國國家航空太空局資助的「智慧行星」項目的首席研究員，該項目正在探索生命基本元素如何在遙遠的巖石行星上聚集。達斯古普塔說:「這項研究表明，一顆巖石狀的類地行星，如果它是在巨大的撞擊中形成並成長起來的，那麼它就有更多的機會獲得生命所必需的元素。這些撞擊可能來自於一顆原行星盤的不同部位，這些行星的構造塊可能是不同的。」「這消除了一些邊界條件，」他說。「這表明，生命必需揮發物可以到達行星的表層，即使它們是在經歷了不同條件下的地核形成的行星上產生的。」達斯古普塔說，地球上的大量矽酸鹽本身似乎無法達到產生生物圈、大氣層和水圈的生命必需的不穩定平衡。「這意味著我們可以擴大對導致揮發性元素聚集在一個星球上支持我們所知的生命的途徑的研究。」