2024 年 7 月 1 日
- 行星的形成在其原始構件（星子）的各個吸積階段中迅速發生。
- 早期的星子對水來說太熱了——它們不可能把任何水帶到地球。
- 對外太陽繫起源較晚的隕石的研究現在表明，它們的母體形成較晚且溫度較低。
- 水留在其中，隨後可以通過隕石和小行星到達地球。
- 重點：太空旅行、行星研究、隕石、太陽系探索
水是地球上生命存在的必要先決條件。然而，我們的家園星球上並不一定有水。但來自太陽系遠離太陽區域的數百萬個小行星碎片可能將海洋中的大量水帶到了地球。現在的一項研究表明，這之所以可能，是因為太陽系中富含水的原始構件形成得更晚、速度更慢、溫度更低。太陽系內部更深處的微行星可能含有很少或不含水或冰，因為它們形成得更快且溫度更高。由於形成較晚且遠離太陽的星子，地球並未保持乾燥狀態。德國航空航天中心（DLR）參與了這項研究，該研究現已發表在科學期刊《科學報告》（Nature Portfolio）上。
「如果星子形成過程中沒有出現這種延遲，地球今天將是一顆極其乾燥的行星，」該研究的主要作者 Dr.德國太空中心行星研究所和柏林工業大學大地測量研究所的弗拉基米爾·諾依曼 (Wladimir Neumann) 。 「簡單地說，星子形成時距太陽的距離對於星子的組成以及哪些成分被納入其中具有決定性作用，在遙遠的塵埃和氣體稀疏盤中，星子的形成發生得有些延遲。」比內太陽系慢，但最重要的是一次又一次。 「晚期的星子沒有那麼熱，因此沒有失去它們所含的水。後來，許多富含水的星子進入了內太陽系，很可能給地球帶來了大量的水。但我們今天仍然可以看到其痕跡。也有人討論金星早期可能有數億年的水。
行星的原始組成部分在短短幾百萬年內就形成了
以天文學的標準，在太陽系的早期，一切都發生得非常快。在兩顆或更多「燃盡」的恆星在我們的家鄉銀河系的一個旋臂中爆炸後，這些超新星殘餘物中的氣體凝結成一顆新恆星。四十五億年前，它累積瞭如此多的質量，以至於氫原子可以在其內部融合形成氦，從而產生能量：太陽就這樣形成了。它的軌道是由塵埃和氣體組成的吸積盤，這是這個過程的殘餘物，向太空延伸了數十億公里。
行星的原始組成部分是在那裡創造的。隕石，即當時形成的母體碎片，見證了這一點。大多數隕石是球粒隕石，約佔 86%。當閃電加熱和熔化的物質形成液滴時，球粒或小球是在幾百萬年內在這個原行星盤中形成的。它們凝固，然後與灰塵和氣體（包括水）聚集在一起，形成更大的物體，稱為星子。它們是行星的原始組成部分，在不到一千萬年的時間裡它們就從這些行星中誕生了。大約四十億年前，太陽在 45.67 億年前「點燃」後不久就完成了行星的形成。但由於仍有無數的小天體，這是太陽系非常動盪的時期，小行星和彗星對這顆年輕行星的撞擊更加頻繁。特別是來自火星和木星之間主帶外層的小行星，這些小行星形成於距離太陽較遠的地方，被稱為“雪線”，很可能為地球提供了大量的水。目前還不清楚水是如何進入星子的。
隕石和小行星反映了太陽系的早期
地球上的水從何而來長期以來一直是科學爭論的議題。相當一部分可能來自地球內部，被火山吹到大氣中，然後部分以雨水的形式填充了最初的海洋。但這可能不是唯一的水源。那麼水是從外面加的嗎？
先前人們認為，靠近太陽的吸積過程比遠離太陽的吸積過程發生得更快，尤其是因為吸積盤中較高的材料密度有利於生長。這篇論文因發現一些隕石而受到質疑，這些隕石的母體已經更加發達，但它們的地球化學特徵具有相同的同位素比率，就像來自太陽系外部未分化母體的隕石一樣（同位素是具有不同中子數的化學元素）。現已發表的著作對此給出了解釋：在原行星盤的外部有一個區域，在其整個“生命週期”中，即從零時到不到四百萬年，星子不斷地形成。
「我們可以透過推導隕石母體的形成時間來證明這一點，」弗拉基米爾·諾伊曼說。 “這一推導是通過將熱演化模型與測量的隕石熱年代數據相結合來實現的。”二十年來，科學一直在努力克服吸積研究中的兩個主要問題。首先，模型和實驗室研究表明，碰撞產生的塵埃團塊的大小不能超過一米，這被稱為「一米屏障」。這些灰塵團塊向窗戶內部流動的動力或高速碰撞造成的破壞會阻止進一步的生長。所以沒有星子可以形成。
另一個困難來自預測反氣旋存在的盤模型。這些必須像塵埃粒子的陷阱一樣，並且代表足夠大的區域，以便它們不會溶解，並且那裡的物質幾乎立即坍縮成星子。這種情況在吸積盤各處都發生過，大約持續了10萬年。但這也意味著，由於鋁同位素 26 的放射性衰變，這些粒子陷阱中形成的星子變得太熱而無法結合水。後來形成的星子的26 Al明顯減少，因此不再那麼熱。
隨著時間的推移形成的小行星母體不會變得太熱而不適合水
那麼，隕石母體是如何形成足夠冷而不會失去揮發性水分子的呢？來自海德堡大學地球科學研究所、拜羅伊特大學和蘇黎世瑞士聯邦理工學院的弗拉基米爾·諾依曼(Wladimir Neumann) 和他的合著者通過檢查一些富含碳的隕石（其母體必須含有碳），找到了回答這個問題的關鍵。
其中就有2019年9月12日從天而降的25克「弗倫斯堡隕石」。它含有隻能與水結合結晶的礦物質，其母體是在吸積盤形成後 270 萬年（即零時間之後）形成的。也對塔法鐵隕石群進行了檢查，比發現的母體年輕得多的隕石，母體僅需要十萬年才能形成。也分析了母體距零時間 370 萬年的隕石。
這些研究使我們得出結論，所描述的兩種機制具有相反的效果——盤中的向內漂移，這不允許星子形成，以及帶有粒子陷阱的高壓區域的形成，星子實際上應該在其中形成早且快。即使在不同時間和外太陽係不同區域，這種比例也不同。透過這種方式，高壓區域可以防止材料完全損失。但仍發生的部分漂移阻止了所有物質很早就透過塌縮、加熱並排出水而合併成星子。因此，在形成行星的吸積盤形成後大約四百萬年的時間裡，有足夠的物質來形成不會釋放水的微星子。這很可能確保了地球得到了水的“供應”，儘管只是在幾億年後。地球的幸運以及由此產生的生命的出現。
[照片]
(A) 「弗倫斯堡」隕石
2019年9月12日中午，一顆隕石在石勒蘇益格-荷爾斯泰因州弗倫斯堡的Weichen地區墜落到地球表面。它的直徑在 3.5 至 3.7 厘米之間，重量略低於 25 克。它是一種罕見的 C1 型「碳質球粒隕石」。它只含有在水存在下形成的礦物質——這使得它對科學特別有價值。對「弗倫斯堡」的分析為解釋小行星母體不僅形成熱量並在此過程中失去水，而且後來（「弗倫斯堡」母體形成於形成後270萬年）做出了重大貢獻。在較低的溫度下，水仍保留在母體中，隨後可以帶到地球。 「弗倫斯堡」是太陽系中最古老的流體活動痕跡。
(B) 雷納佐隕石
38.1 克雷納佐隕石碎片。 1824 年 1 月 15 日晚上 8 點 30 分，一塊重約 10 公斤的隕石碎片落在義大利費拉拉省雷納佐鎮附近。據說這顆隕石碎成了三、四個主要碎片，一位女士說她在墜落時聽到了三重爆炸聲。 Renazzo 成為一組碳質隕石（後來發現）的名字，稱為 CR（R 代表 Renazzo）。雷納佐的母體是在太陽系形成後近四百萬年形成的，並且沒有被加熱到足以失去其原始水分的程度。
(C) 小行星 (2) 帕拉斯
智神星是小行星帶中第二大的小行星，平均直徑約510公里。帕拉斯的反射光譜與 CR 球粒隕石（參見上圖，雷納佐隕石）的反射光譜相匹配，是這些含水隕石母體的候選人。 2020 年，位於智利的歐洲南方天文台甚大望遠鏡 (VLT) 拍攝了智神星北半球（左）和南半球（右）的高解析度影像。兩個大型撞擊盆地可能是由小行星家族的撞擊形成的。南半球的亮點（右）讓人想起富含水的矮行星穀神星上的鹽沉積物。