宇宙天文：恒星撞擊可能為行星宜居性提供燃料


圖片來源：美國國家科學(xué)基金委員會激光干涉引力波天文臺（LIGO），索諾馬州立大學(xué) A. Simonnet.
在外星生命的探尋中，地球作為唯一已知的宜居行星始終為搜尋的起點(diǎn)?！拔覀冊趯ふ夷軌蜃屓讼肫鸺业男行恰保又荽髮W(xué)圣克魯斯分校的天文學(xué)家 Natalie Batalha說。這意味著巖質(zhì)行星與其恒星——類似太陽的恒星——之間的距離恰到好處，使行星能夠吸收足夠的恒星星光，從而令其表面的水以液態(tài)形式存在。
然而，當(dāng)天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了數(shù)以萬計的行星時，他們邂逅的是由形形色色的行星組成的迷亂動物園。因此，一顆巖質(zhì)行星（以目前望遠(yuǎn)鏡的識別能力而言，指類地行星）可能與我們熟知的世界千差萬別。既然如此，那么這些巖質(zhì)行星的環(huán)境到底能有多么詭譎呢？即使是極端怪異的世界也能夠孕育生命嗎？ “是什么樣的物理過程使他們更加多樣化？”Batalha 說，“這也是我們在努力搞清楚的問題?！?br> 很多這樣的物理過程發(fā)生在行星的內(nèi)部深處。特別是行星內(nèi)部的放射性元素，他們可能通過加熱行星內(nèi)部對宜居性產(chǎn)生重大影響。人們認(rèn)為，至少在地球上，一個強(qiáng)健穩(wěn)定的地?zé)醽碓磳Π鍓K構(gòu)造和行星磁場的形成至關(guān)重要，二者轉(zhuǎn)而也對生命有決定性的影響。在核心熱量的驅(qū)動下，地殼板塊像傳送帶那樣在地球表面滑動，有助于穩(wěn)定行星的氣候。而通過地質(zhì)時代的碳循環(huán)，板塊運(yùn)動也調(diào)節(jié)著大氣中的二氧化碳。我們行星的磁場形成于地核處旋轉(zhuǎn)的熔鐵層產(chǎn)生的電流，幫助我們抵御嚴(yán)酷的宇宙輻射。這臺地質(zhì)“發(fā)電機(jī)”的性能取決于地幔中放射性熱的含量。
如今，一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，一個宜居的世界可能確實(shí)需要適量的放射性核素。若放射性核素過多，那么行星可能缺乏形成強(qiáng)力磁場的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，不過它也可能因此而擁有炙熱巖石烤出的厚重而又惡劣的大氣層。若放射性核素過少，那么行星不夠溫?zé)岬膬?nèi)核可能過于寒冷呆滯，根本無法維持地質(zhì)活動——甚至可能使發(fā)電機(jī)停機(jī)。
這項(xiàng)研究于發(fā)表于《天體物理學(xué)雜志通訊》，第一作者為加州大學(xué)圣克魯斯分校的地球物理學(xué)家 Francis Nimmo。Nimmo 表示：“即使你找到了一顆與地球在大小、年齡上別無二致的行星，兩者之間也可能有著根本性的差異?！?br> 發(fā)現(xiàn)了一顆宜居行星？那得感謝中子星關(guān)于放射性核素對行星內(nèi)核可能產(chǎn)生的影響，本項(xiàng)研究的學(xué)者們并非首個探究這一課題的團(tuán)隊。不過，未參與這項(xiàng)研究的科羅拉多大學(xué)博爾德分校的地理學(xué)家 Stephen Mojzsis 表示，這篇論文“探究了系外類地行星產(chǎn)生的不同熱量引發(fā)的地球物理學(xué)和地球動力學(xué)結(jié)果，比我之前讀過的相關(guān)研究更加詳盡”。


圖片來源：Pixabay
在我們的行星內(nèi)部，熱對流驅(qū)動著發(fā)電機(jī)：炙熱的熔鐵從深處被抬升，與頂層溫度更低的地幔相遇，隨后冷卻并再次向地核方向下沉。這一循環(huán)將熱量傳遞至地幔，再經(jīng)由板塊運(yùn)動通過地表釋放出來。炙熱的地幔物質(zhì)從板塊邊界及其他地質(zhì)構(gòu)造活躍區(qū)域的地殼裂縫中滲
出。冰冷的地表巖石堆擠入滾熱的地幔，像往溫?zé)岬娘嬃现屑颖粯邮怪鋮s下來。Nimmo表示，拋開上述在調(diào)節(jié)地球氣候方面的重要性不談，如果沒有板塊運(yùn)動，地幔便無法有效冷卻。換言之，地球若沒有板塊運(yùn)動，便不會形成對流，遑論發(fā)電機(jī)的存在了。


圖片來源：Pixabay
一顆巖質(zhì)行星是否具有發(fā)電機(jī)和板塊運(yùn)動并非事先決定的。在所有圍繞我們的太陽做公轉(zhuǎn)的類地行星中，只有地球二者兼?zhèn)?，這很大可能是因?yàn)榈厍虻拇蟛糠譄崛粤舸嬖谄鋬?nèi)部。
Mojzsis 表示，現(xiàn)如今，地球大概有一半的熱量是其誕生時留下來的，這些熱量來自數(shù)千萬年間無數(shù)巖石在重力作用下聚集產(chǎn)生的高能撞擊。而我們的行星余下的大部分內(nèi)熱則源自放射性核素釷 232 和鈾 238。
這些放射性核素很可能在中子星——大質(zhì)量恒星爆炸遺留的超高密度恒星殘骸骸——的劇烈撞擊形成。在這些撞擊事件中，中子聚集在重原子核上，形成更重的核，其中的一部分原子核隨后爆炸進(jìn)入更廣袤的宇宙。此類撞擊十分罕見，在類似銀河系這樣的大星系中約每10萬年發(fā)生一次。每次發(fā)生，撞擊事件都會產(chǎn)生大量放射性核素，他們最終參與形成巨大的氣體和塵埃云，這些氣體和塵埃云偶爾會塌縮形成恒星和行星。由于此類撞擊實(shí)在太過稀少，銀河系中恒星內(nèi)放射性核素的豐度差異很大，范圍約在我們太陽系“當(dāng)?shù)亍彼降?0%至300%之間。
撰文：Marcus Woo
翻譯：耿淑娟
審校：王昱
引進(jìn)來源：科學(xué)美國人
引進(jìn)鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/stellar-smashups-may-fuel-planetary-habitability-study-suggests/


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