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原文作者:Samantha Mathewson
翻譯:尹天任
校對(duì):王茸
審閱:李宜驊
美編:徐玖坤
后臺(tái):李子琦
地球上的生命或許要?dú)w功于一次不可思議的幸運(yùn)——在形成過程中,地球恰好處于一種大多數(shù)行星都錯(cuò)過的化學(xué)的“最佳狀態(tài)”。
一項(xiàng)新研究表明,地球在形成時(shí)處于一組異常精確的化學(xué)條件之下,這使得它能夠保留兩種我們所知生命所必需的元素:磷和氮。根據(jù)這項(xiàng)研究,如果沒有這兩種元素的完美平衡,一顆巖石行星可能表面上看起來適宜居住,但實(shí)際上卻根本無法支持生命。
“在行星核心形成期間,必須有恰好適量的氧存在,這樣磷和氮才能留在行星表面,”該研究的主要作者,瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的克雷格·沃爾頓在一份聲明中說道。
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新生恒星周圍行星形成盤的藝術(shù)想象圖
來源:NASA/JPL-Caltech
研究人員表示,地球似乎在近46 億年的前形成期間,恰好處于這種微妙的化學(xué)最佳狀態(tài),而這一新發(fā)現(xiàn)可能會(huì)改變科學(xué)家尋找外星生命的方式。
年輕行星形成時(shí),通常會(huì)部分或全部處于熔融狀態(tài)。隨著重金屬向內(nèi)部下沉形成地核,較輕的物質(zhì)則停留在靠近地表的位置。在這一被稱為核形成的混亂階段,氧氣含量對(duì)其他元素最終去向、以及這些元素能否留存下來供未來生命使用起著決定性作用。
該研究表明,要讓磷和氮都留在行星的地幔和地殼中,氧氣含量必須處于一個(gè)出人意料的狹窄范圍內(nèi)。氧氣過少,磷會(huì)與鐵結(jié)合并被拖入地核,導(dǎo)致地表缺乏構(gòu)成 DNA、細(xì)胞膜和能量傳遞的關(guān)鍵成分。氧氣過多,氮?jiǎng)t更容易散失到太空中。因此無論哪種情況,生命所需的化學(xué)條件都無法完整形成。
通過對(duì)行星形成和地球化學(xué)行為的模型,研究人員發(fā)現(xiàn),地球恰好處于這一中等氧氣含量的狹窄區(qū)間內(nèi),他們將其稱為化學(xué)宜居帶(金發(fā)姑娘區(qū))。最終,我們的行星保留了足夠的磷和氮,為后續(xù)生命誕生提供了條件 —— 這一結(jié)果在巖質(zhì)行星中可能極為罕見。
“我們的模型清晰表明,地球精準(zhǔn)地處于這個(gè)區(qū)間內(nèi),” 沃爾頓在聲明中說,“如果在核形成階段,氧氣含量哪怕多一點(diǎn)或少一點(diǎn),就不會(huì)有足夠的磷和氮來孕育生命。”
反之,研究人員還模擬了火星等其他行星的形成過程,這些行星的氧氣含量超出了這一化學(xué)宜居帶。聲明指出,例如在火星上,模型顯示地幔中的磷含量高于地球,但氮含量更低,這對(duì)我們所知的生命而言構(gòu)成了嚴(yán)苛的生存條件。
這些發(fā)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)上只關(guān)注宜居帶(恒星周圍液態(tài)水能存在的區(qū)域)的觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)。雖然水至關(guān)重要,但該研究表明,水可能只是其中一部分。一顆行星即便與恒星距離適中,也可能缺乏生命誕生所需的內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)備。
關(guān)鍵在于,影響這一過程的氧氣條件,與宿主恒星本身的化學(xué)成分密切相關(guān)。由于行星與恒星由相同物質(zhì)形成,恒星的化學(xué)組成可以初步提示一個(gè)恒星系統(tǒng)能否產(chǎn)生適宜生命存在的行星。
如果研究人員的結(jié)論正確,地球可能并非宇宙中的常態(tài),而更像是一個(gè)幸運(yùn)的特例—— 一顆在早期就中了罕見化學(xué)頭獎(jiǎng)的行星。以地球?yàn)榛鶞?zhǔn),有助于科學(xué)家精準(zhǔn)鎖定那些最有可能擁有生命必需元素完美平衡的系外行星。
“這讓在其他行星上尋找生命的目標(biāo)更加明確,” 沃爾頓說,“我們應(yīng)該尋找恒星與我們太陽相似的太陽系。”
『天文濕刻』 牧夫出品
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地球
圖像來源:NASA
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