地球上的水是哪里来的?有人说是木星的"礼物"

来源:网易科技发布时间:2018-06-25

木星对地球还真是“呵护备至”。

据Smithsonian报道,说到太阳系早期,木星对地球可谓是呵护备至。在某种程度上,这颗气态巨行星就像是地球的保护者,它的引力将冲向地球的危险碎片弹射出去。与此同时,木星也可能向太阳系内部抛出物质,让富含氢的小行星和行星胚胎撞向其他类地行星。

地球上的水是哪里来的?有人说是木星的“礼物”

图:科学家加布里埃尔·费塞特(Gabriel Fiset)利用美国宇航局(NASA)“朱诺”(Juno)号航天器发回的数据,创造出这幅木星南极的彩色图像

现在,研究人员认为,木星和其他气态巨行星在这个过程中可能还向岩石行星贡献了另一种至关重要的东西——水。这些巨大的行星可能将来自太阳系外富含水的碎片抛落在岩石行星上。新的研究表明,这种液体(生命的关键成分)的传递可能并非偶然或运气。相反,所有在外围拥有气态巨行星的系统,都应该可以让富含水分的物质自动落在多岩石的内部行星上。

当这些气态巨行星充分发育后,它们喷射的碎片可能是危险的。但在它们出生的关键阶段,它们将富含氢的物质抛入地壳和地幔中,然后与氧结合变成水。法国波尔多大学天文学家肖恩·雷蒙德(Sean Raymond)说:“在形成的过程中,气态巨行星把这大量行星胚胎散布到各处,有些撞击到类地行星上。”通过对早期太阳系中气态巨行星的作用进行建模,雷蒙德发现,不同尺寸的气态巨行星都不可避免地将富含水分的物质扔进太阳系内部系统。而当液态水落在表面上后,岩石行星可能会留住它们。

当然,正如我们在地球上所知道的,水是生命进化的关键因素。因此,当涉及到太阳系以外的狩猎世界时,能够容纳这种珍贵液体的岩石行星被认为是寻找外星生命的最佳狩猎场。自20世纪80年代以来,研究人员始终在努力确定水是如何到达地球的。如今,富含碳的小行星似乎成为首要的怀疑对象。

在年轻的太阳系中,碰撞频繁发生,天体轨道经常相互交叉,早期的小行星很容易受到其他行星的近距离碰撞影响,这些行星的引力将它们抛向岩石行星。天体化学家康纳尔·亚历山大(Conel Alexander)说:“我认为这是一个非常有趣的故事,如果你试图了解可居住的行星是如何诞生的,这是需要理解的最基本的东西。”

大约45亿年前,因太阳形成而产生的气体形成了行星。这种气体存在了数百万年,影响着行星的运动及其富含岩石的成分。上升的温度意味着,作为水的组成元素的氢被困在太阳系较冷地区的冰中,远离地球的范围。看来我们的星球注定是一片干旱贫瘠的荒原。那么到底发生了什么?

一个可笑的简单概念

近年来,我们太阳系的模型显示,这些气态巨行星很可能经历了“复杂的舞蹈”,然后才最终到达它们目前的位置。海王星和天王星可能比今天更接近太阳。最终,它们向外迁移,沿途不断变换地点。这个过程被称为“尼斯模型”(Nice model),它认为在太阳系形成约6亿年之后,后期曾发生猛烈撞击,达到冰冲击尖峰。

土星和木星可能经历了更为痛苦的旅程,它们在进入太阳系内部的途中穿过年轻的小行星带,然后掉头向外返回。一路上,它们还把小行星撞向了地球。这被称为“大头针”(Grand Tack)模型,雷蒙德在2008年帮助制定了这个模型。大约在那个时候,雷蒙德第一次对木星如何影响太阳系早期的水输送产生了兴趣。但他的建模过程受到了一个小程序问题的阻碍,他似乎无法克服。直到近十年后,博士后安德烈·伊兹多罗(Andre Izidoro)帮助解决了这个问题。

雷蒙德沮丧地说:“伊兹多罗用了半个小时就发现了困扰我多年的问题。我真的很高兴他找到了解决方案,这样我们就可以继续做这个项目了。”在新模型中,当气态巨行星变得越来越大,消耗更多的物质时,它不断增加的重力会使附近的胚胎行星变得不稳定。仍然存在的星云气体的阻力影响着碎片如何穿过太阳系,并将其中的部分送入太阳系内部。其中有些物质被困在小行星带里,被富含碳的小行星吸收,这些小行星上的水与地球非常相似。

雷蒙德说,最初,这些富含碳的小行星散布在广大区域中,其距离是地球和太阳距离的5到20倍。他说:“它一定覆盖了整个太阳系。”但研究富含碳的小行星的亚历山大怀疑,这个区域更小,大多数人猜测它们都是在木星轨道之外形成的。尽管如此,亚历山大认为雷蒙德的模型很好地解释了富含水的物质是如何被运送到地球上的,他称这个假设是“完全合理的”。亚历山大说:“这是将这些挥发物带到地球形成区域的最好方法。”

这个模型留下了几个悬而未决的问题,比如为什么早期太阳系的质量如此之少。雷蒙德承认:“这是需要连接的关键部分。”不过,他说,这个模型有助于填补一些空白,包括为何地球上的水与外带小行星上的水成分相似,而不是与内带干燥小行星上的水相匹配。

他说:“这是木星和土星成长的简单结果。”

寻找富含水的世界

在雷蒙德的模型完成之前,研究人员认为这是系外行星不同寻常的舞蹈,它们将水送入内太阳系,并使地球远离干燥的未来。如果这是真的,那对其他星球来说将是个坏消息。因为这些气态巨行星可能仍是壁花(局外人),从未远离它们的起点。新模型表明,任何气态巨行星都会由于它们的形成而向内喷射湿的物质。虽然类似木星大小的行星是最有效的,但雷蒙德发现任何尺寸的气态巨行星都可能触发类地行星增长。

这对在太阳系外寻找水状行星的研究人员来说是个好消息。在我们自己的太阳系里,这个模型显示,来自太阳系外的冰以三波形式在地球上降落。第一次是在木星膨胀的时候,第二次是在土星形成期间触发的,第三次可能发生在天王星和海王星向内迁移的时候,然后它们被另外两颗行星阻挡并送回太阳系的外围。

行星科学研究所研究员、专门研究早期太阳系行星形成和演化的大卫·奥布莱恩(David O’Brien)表示:“我认为最酷的事情是,它基本上意味着对于任何拥有巨大气行星和类地行星的太阳系外系统来说,这些巨大行星将水送到类地行星上。这为可居住行星的研究提供了很多可能性。”

不幸的是,到目前为止,我们还没有很多类似的系统可以与之相比。大多数已知的系外行星都与美国宇航局的开普勒计划有关。奥布莱恩说,开普勒计划对轨道小于地球的行星最为敏感,并且很难探测到太阳系外系统中的气态巨行星。小型岩石行星的观测也更具挑战性,但这并不意味着它们不在那里,只是意味着我们还没有发现它们。

但如果存在这样的系统,雷蒙德的研究表明,岩石行星应该富含我们所认为的生命液体。奥布莱恩说:“如果有类地行星和巨行星,这些巨行星可能给类地行星提供了许多水。”

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