地球“身世”重寫 新研究稱其幾乎完全由內(nèi)太陽(yáng)系物質(zhì)構(gòu)成

一項(xiàng)對(duì)隕石同位素的新分析正挑戰(zhàn)人類長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于地球起源的經(jīng)典圖景，研究顯示，地球幾乎完全由內(nèi)太陽(yáng)系的本地物質(zhì)構(gòu)成，而來(lái)自遙遠(yuǎn)外太陽(yáng)系的物質(zhì)貢獻(xiàn)極少，甚至可能為零。 這一結(jié)果意味著，我們或許無(wú)需借助外太陽(yáng)系物質(zhì)來(lái)解釋地球上水等揮發(fā)性物質(zhì)的來(lái)源，從而推翻了行星形成理論中的一個(gè)關(guān)鍵假設(shè)。

長(zhǎng)期以來(lái)，行星科學(xué)家一直在爭(zhēng)論構(gòu)成地球的原始物質(zhì)來(lái)自何處。 盡管地球位于太陽(yáng)系內(nèi)部區(qū)域，但許多研究估計(jì)，其質(zhì)量中約有 6% 至 40% 來(lái)自外太陽(yáng)系。 這一觀點(diǎn)之所以廣為接受，是因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為，外太陽(yáng)系富含水和其他揮發(fā)性物質(zhì)，必須有相當(dāng)一部分這類物質(zhì)在地球形成過(guò)程中被運(yùn)送到內(nèi)太陽(yáng)系，用以解釋地球表面的海洋和大氣。 然而，新研究對(duì)這一設(shè)想提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的帕奧洛·索西（Paolo Sossi）和丹·鮑爾（Dan Bower）采用了一種全新的分析方法，將多類隕石的同位素?cái)?shù)據(jù)與地球成分進(jìn)行系統(tǒng)比對(duì)，其中包括與火星和灶神星（Vesta）相關(guān)的隕石樣品。 同位素是指具有相同質(zhì)子數(shù)、但中子數(shù)不同、因而質(zhì)量不同的同一種元素原子，它們?cè)诓粨p害化學(xué)性質(zhì)的前提下，能為天體物質(zhì)的起源提供“指紋式”線索。

研究團(tuán)隊(duì)在綜合分析后得出一個(gè)出人意料的結(jié)論：地球似乎完全由內(nèi)太陽(yáng)系物質(zhì)形成。 根據(jù)他們的計(jì)算，來(lái)自木星軌道以外區(qū)域的物質(zhì)，最多只占地球質(zhì)量的不到 2%，也存在完全沒(méi)有貢獻(xiàn)的可能性。 相關(guān)成果已發(fā)表于《自然·天文學(xué)》（Nature Astronomy）。 “我們的計(jì)算非常清晰：地球的構(gòu)建材料來(lái)自一個(gè)單一的物質(zhì)庫(kù)?！彼魑鞅硎尽?鮑爾則直言，“當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)地球完全由內(nèi)太陽(yáng)系物質(zhì)構(gòu)成，而且這種成分組合在現(xiàn)有隕石中找不到任何對(duì)應(yīng)時(shí)，我們確實(shí)感到非常震驚?！?/p>

這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵突破，是在分析框架上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了以往工作。 過(guò)去的研究通常只采用兩種同位素體系來(lái)追溯物質(zhì)來(lái)源，而索西和鮑爾則同時(shí)引入了 10 套不同的同位素體系，并輔以一種在地球化學(xué)領(lǐng)域并不常用的統(tǒng)計(jì)方法。 “從某種意義上說(shuō)，我們是在做數(shù)據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。”索西指出，“這些統(tǒng)計(jì)計(jì)算在地球化學(xué)中很少使用，但實(shí)際上是非常有力的工具?！?/p>

科學(xué)界使用隕石同位素來(lái)判斷物質(zhì)在太陽(yáng)系中的成因區(qū)已有多年歷史，早期工作主要集中在氧同位素上。 自 2010 年前后起，研究者相繼發(fā)現(xiàn)，鉻、鈦等元素的同位素也能有效區(qū)分物質(zhì)來(lái)源。 這推動(dòng)了一個(gè)新的分類框架：一類是非碳質(zhì)隕石，被認(rèn)為形成于內(nèi)太陽(yáng)系；另一類是碳質(zhì)隕石，含有更多水和碳，起源于更遙遠(yuǎn)的外太陽(yáng)系。

新研究顯示，地球的整體成分完全落在“非碳質(zhì)”一側(cè)。 換言之，地球是由內(nèi)太陽(yáng)系物質(zhì)構(gòu)成的行星，在同位素特征上并不需要外太陽(yáng)系物質(zhì)的摻入。 同時(shí)，研究沒(méi)有發(fā)現(xiàn)先前假設(shè)的“兩個(gè)物質(zhì)庫(kù)之間顯著混合”的證據(jù)，這意味著傳統(tǒng)模型中強(qiáng)調(diào)的大規(guī)模內(nèi)外太陽(yáng)系物質(zhì)交換，至少在地球形成的語(yǔ)境下并不存在。

這一結(jié)果為地球早期成長(zhǎng)過(guò)程提供了新的敘事：地球很可能在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)太陽(yáng)系環(huán)境中，通過(guò)持續(xù)吸積近鄰星子和行星胚胎緩慢長(zhǎng)大，而不是依賴大規(guī)?？鐓^(qū)域物質(zhì)注入。 更重要的是，如果地球幾乎完全由內(nèi)太陽(yáng)系物質(zhì)構(gòu)成，那么水等揮發(fā)性元素很可能一開(kāi)始就在內(nèi)太陽(yáng)系中存在，而非主要由遙遠(yuǎn)冰質(zhì)天體“長(zhǎng)途輸送”。

為何太陽(yáng)系會(huì)出現(xiàn)內(nèi)外截然不同的兩大物質(zhì)庫(kù)？ 一種主流看法是，這與木星的快速形成密切相關(guān)。 在太陽(yáng)周圍的原行星盤——由氣體和塵埃構(gòu)成的“行星搖籃”——中，正在成長(zhǎng)的木星憑借其強(qiáng)大引力，在盤中撕開(kāi)了一道“空隙”。 這一結(jié)構(gòu)極大削弱了外側(cè)物質(zhì)向內(nèi)側(cè)的流動(dòng)，從而在早期就將太陽(yáng)系分割為內(nèi)外兩個(gè)相對(duì)隔離的區(qū)域。

但過(guò)去一直存在一個(gè)核心問(wèn)題：木星這道“物質(zhì)閘門”究竟有多嚴(yán)密？ 新的同位素分析表明，幾乎沒(méi)有來(lái)自木星之外的物質(zhì)真正闖入地球的形成區(qū)。 鮑爾強(qiáng)調(diào)，這一結(jié)論的穩(wěn)健性在于，它完全建立在數(shù)據(jù)本身之上，而不是依賴尚未完全厘清的物理假設(shè)。 研究還顯示，地球的成分與火星和灶神星極為相近，暗示這些天體可能源自同一內(nèi)太陽(yáng)系物質(zhì)庫(kù)。

基于同樣的方法，團(tuán)隊(duì)推測(cè)金星和水星也極有可能擁有與地球相似的整體成分構(gòu)成。 “從理論上講，我們已經(jīng)可以對(duì)這兩顆行星的成分作出預(yù)測(cè)?！彼魑鞅硎尽?不過(guò)，鑒于目前尚無(wú)來(lái)自金星和水星的巖石樣品，這一推斷暫時(shí)無(wú)法得到直接驗(yàn)證。

在研究者看來(lái)，這項(xiàng)工作為地球及其他類地行星的形成歷史帶來(lái)了全新的視角。 下一步，他們計(jì)劃進(jìn)一步探索一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：在熾熱的內(nèi)太陽(yáng)系環(huán)境中，究竟通過(guò)何種機(jī)制積累了足夠多的水，最終形成地球廣袤的海洋。 此外，團(tuán)隊(duì)還希望了解類似的物質(zhì)分區(qū)與行星構(gòu)建過(guò)程，是否也在太陽(yáng)系之外的行星系統(tǒng)中普遍存在。

“在找到這些問(wèn)題的答案之前，我和丹大概還會(huì)就地球及其近鄰行星的物質(zhì)構(gòu)成展開(kāi)許多次激烈討論?！彼魑靼腴_(kāi)玩笑地說(shuō)。 在他看來(lái)，即便有了這項(xiàng)新成果，關(guān)于地球“構(gòu)件”的科學(xué)爭(zhēng)論遠(yuǎn)未結(jié)束，而這恰恰是行星科學(xué)持續(xù)前進(jìn)的動(dòng)力所在。