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地球的形成理論要改寫了?地幔中的鐵同位素,暗示了另一種可能
大約46億年前,我們的太陽(yáng)系誕生于一片原始星云中。在它的正中心,大量的物質(zhì)集中在一起,坍縮形成了今天的太陽(yáng)。
一般來說,我們認(rèn)為,行星的形成也是來自于星際塵埃和氣體。它們首先在靜電力的作用下開始聚合,在這個(gè)過程中變得越來越大。當(dāng)某一塊凝聚物足夠大時(shí),它的引力就開始發(fā)揮作用,接管這片星云,在更大范圍內(nèi)吸引周圍的物質(zhì)下落。就像滾雪球一樣,越吸收物質(zhì)就變得越大,越大就越有足夠的引力吸引更遠(yuǎn)處的物質(zhì)下落。這種下落過程還伴隨著劇烈的撞擊,最終形成了各個(gè)行星。
此前我們一直認(rèn)為,這個(gè)過程可能會(huì)持續(xù)數(shù)千萬(wàn)年的時(shí)間。不過,丹麥哥本哈根大學(xué)的科學(xué)家們最近在對(duì)地幔的鐵同位素進(jìn)行分析的時(shí)候發(fā)現(xiàn),我們以前的想法可能錯(cuò)了。
實(shí)際上,雖然同屬于巖石星球,但仔細(xì)分析就會(huì)發(fā)現(xiàn),地球和火星、月球等天體還是有些區(qū)別的。這些星球都含有很多天然的鐵同位素,如鐵-56、鐵-54等。但是和其他同伴相比,地球的鐵-54含量非常少,而月球、火星和其他大部分隕石都比較一致。
科學(xué)家們舉了一個(gè)例子:我們將太陽(yáng)系比作一根臘腸,那么形成太陽(yáng)系的原始星云就是各種原材料的混合體,不同元素的原子就相當(dāng)于是肉餡、調(diào)料、腸衣……不同的材料所占的比例也不同,它們未來也會(huì)參與到不同的天體形成的過程中。比如:絕大部分氫和氦都被太陽(yáng)奪走了,剩下的部分又有絕大部分存在于木星、土星、海王星和天王星的體內(nèi)。
但是,有這么一種天體,它們內(nèi)部的各種元素的比例竟然仍然保持著原始星云的數(shù)據(jù)。也就是說,這種天體的元素比例精確地代表著原始星云的元素比例,這種天體叫做CI碳質(zhì)球粒隕石。如果你手里有一塊CI碳質(zhì)球粒隕石,那么只要檢測(cè)一下,就能知道46億年前形成太陽(yáng)系的原始星云是什么樣的。
有趣的是,在鐵的同位素方面,CI碳質(zhì)球粒隕石和地球的成分比例竟然是一致的,太陽(yáng)系再?zèng)]有其他天體是這樣的。所以我們有理由認(rèn)為,CI碳質(zhì)球粒隕石和地球的形成有著重要的關(guān)聯(lián)。而這個(gè)推測(cè),又與先前的理論相矛盾。
根據(jù)目前的行星形成模型來看,在46億年前,太陽(yáng)系的位置上只有一片原始星云。在重力的作用下,它開始坍縮,并且像水流入下水道一樣,開始旋轉(zhuǎn)。在這種旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下,整個(gè)星云變扁,所以今天的太陽(yáng)系天體大部分軌道都在一個(gè)很小的平面范圍內(nèi)。在中心區(qū)域,形成了今天的太陽(yáng)。
剩余的物質(zhì),也在同樣的過程中形成了行星等其他天體。同時(shí),這個(gè)過程中也會(huì)伴隨著天體之間的撞擊,變成更大的天體。比如原始地球,可能沒有這么巨大,但是在和一個(gè)火星大小的行星撞擊后才有今天這么大。只不過,這樣的情況發(fā)生概率極低,所以很久才會(huì)出現(xiàn)。
如果地球像其他行星一樣按照這個(gè)理論慢慢地形成,那么地幔的鐵同位素豐度將會(huì)代表著太陽(yáng)系各種隕石混合后的數(shù)據(jù),而不是僅僅與CI碳質(zhì)球粒隕石相一致。也就是說,鐵-54的含量應(yīng)該更高一些。既然地球的鐵-54含量和CI碳質(zhì)球粒隕石相同,那就意味著其他隕石可能并沒有參與到地球的形成過程。即使它們后來也落在了地表,但最終只構(gòu)成了地殼,沒有進(jìn)入地幔。
因此,地球的形成過程很可能并不符合傳統(tǒng)的行星形成模型,而是屬于另一種。
他們推測(cè),地球的核心并不是巖石撞擊形成的,而是來自于另一種更快速的渠道:宇宙塵埃的傾盆而下,它們構(gòu)成了地核里的鐵。在接下來的幾十萬(wàn)年時(shí)間里,隨著太陽(yáng)系的冷卻,更遠(yuǎn)處的CI碳質(zhì)球粒隕石也在引力的作用下靠近地球,并且落在原始地核上,形成了今天的地幔,也構(gòu)成了地幔里絕大部分的鐵。
由于包括CI碳質(zhì)球粒隕石在內(nèi)的整個(gè)原始星云所存在的時(shí)間不足500萬(wàn)年,因此,如果地球真的是通過這個(gè)過程形成的,那么它的形成過程也不會(huì)持續(xù)超過500萬(wàn)年。這個(gè)過程所持續(xù)的時(shí)間,比原本的理論短了許多,因此還是很令人震驚的。
哥本哈根大學(xué)的行星地質(zhì)學(xué)家Martin Schiller介紹說:“這些后來的CI碳質(zhì)球粒隕石改變了地幔中鐵元素的成分含量,但這里面有一個(gè)條件,那就是此前的鐵元素中大部分都已經(jīng)進(jìn)入到地球核心處才可以,這也是地核必須要在更早以前完全形成的原因。”
可以說,這個(gè)行星形成理論還是比較新鮮的,為我們展示了一種新的可能。而且,如果地球真的是通過這樣的過程形成的,那么宇宙中一定還有其他行星也經(jīng)歷了同樣的過程。
更重要的是,研究人員還大膽推測(cè),這樣的形成過程或許與生命的形成有關(guān)。作為目前唯一可能通過這個(gè)方式形成的行星,地球還有一個(gè)更重要的特點(diǎn),那就是孕育了生命,而二者之間可能是有關(guān)系的。他們認(rèn)為,這種形成過程或許是行星孕育生命的先決條件。
哥本哈根大學(xué)的宇宙化學(xué)家向我們解釋了他們提出這種猜測(cè)的原因:“我們知道,宇宙中到處都有行星在形成。目前來說,我們已經(jīng)提出了行星形成的一種有效的通用理論。當(dāng)我們對(duì)太陽(yáng)系內(nèi)的這些機(jī)制有所了解后,就會(huì)推廣到銀河系,對(duì)其他行星系統(tǒng)提出類似的猜想。如果這個(gè)早期行星吸積過程的理論真的成立,那么水可能只是地球這樣的行星在形成過程中所出現(xiàn)的副產(chǎn)品——這意味著,這種我們目前認(rèn)定是孕育生命的必需物質(zhì)極有可能更容易在宇宙中隨處可見。”
雖然你可能并沒有聽出二者之間的聯(lián)系,但地球的生命是獨(dú)一無(wú)二的,而地球的元素構(gòu)成也與其他巖石行星大相徑庭,我們也很難說清二者之間到底有什么關(guān)系。總之,不論是生命還是地球,都是宇宙中的奇跡。至于造成這個(gè)奇跡的原因,也一定不在少數(shù)。沒有一個(gè)條件能夠獨(dú)自創(chuàng)造這樣的奇跡,但任何一個(gè)條件的缺失,也可能會(huì)讓奇跡無(wú)法發(fā)生。
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