火星表面并没有液态水,宜居性也受体积限制!

快资讯
2022
01/20
中国科学报
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水对地球和其他行星上的生命来说必不可少,科学家已经发现大量证据表明,火星早期历史中存在水。但现在的火星表面并没有液态水。美国华盛顿大学圣路易斯分校的一项新研究提出了一个根本性的原因:火星可能体积太小,无法保留大量的水。

对上世纪80年代的火星陨石进行的遥感研究和分析认为,与地球相比,火星曾经富含水。美国航天局的维京轨道飞行器,以及最近火星表面的“好奇号”和“毅力号”漫游车传回了以河谷和洪道为标志的火星景观的引人注目的图像。

尽管有这些证据,但火星表面的确没有液态水。研究人员提出了许多可能的解释,包括火星磁场的减弱可能导致丰厚大气的流失。9月20日发表在美国《国家科学院院刊》的一项研究认为,今天的火星看起来与“蓝色大理石”地球如此不同,还有一个更根本的原因。

“火星的命运从一开始就注定了。”华盛顿大学艺术与科学学院地球与行星科学助理教授、该研究领衔作者王坤(音译)说,“岩石行星的体积,包括哪些体积超过火星的岩石行星,可能有一个临界值以保持足够的水,来支持其宜居性和板块构造。”

在新研究中,王坤和合作者使用钾元素的稳定同位素来估计挥发性元素在不同行星上的存在、分布和丰度。

钾是一种中等挥发性的元素,但科学家举行用它作为水等更具挥发性的元素和化合物的示踪剂。这是一种相对较新的方法,不同于以往利用遥感和化学分析收集的钾钍比率来确定火星曾经有过的挥发物的数量。在之前的研究中,该研究小组使用钾示踪剂的方法来研究月球的形成。

研究团队测量了之前确认的20块火星陨石的钾同位素组成,这些陨石被看作是火星大块硅酸盐组成的代表。他们确定火星在形成过程中比地球损失了更多的钾和其他挥发物,但保留了比月球和灶神星更多的这些挥发物,这两个天体比地球和火星小得多,也干燥得多。

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研究人员发现,行星大小和钾同位素组成之间存在明确的关联。“在火星等行星中,挥发性元素及其化合物的丰度远低于原始未分化的陨石,这是一个长期存在的问题。”该研究共同作者、华盛顿大学地球和行星科学研究教授KatharinaLodders说,“这是一项新发现,对于不同的行星何时以及如何接收和失去它们的挥发物具有重要的定量意义。”

“火星陨石是我们可以用来研究火星整体化学组成的唯一样本。”王坤说,“其年龄从数亿年到40亿年不等,记录了火星不稳定的演化历史。通过测定钾等中挥发性元素的同位素,可以推断出体积行星的挥发性耗竭程度,并对不同太阳系天体进行比较。”

“火星表面曾经有液态水,这是无可争议的,但仅通过遥感和漫游者机器人开展研究,很难量化火星上曾经有多少水。”王坤说,“有很多关于火星水分含量的模型。在其中一些地区,早期的火星甚至比地球还要潮湿。我们认为情况并非如此。”

研究人员指出,这一发现对寻找火星以外的其他行星上的生命具有启示意义。离太阳太近(或者距离其恒星太近的系外行星)会影响行星体能够保留的挥发物的数量。这种距离测量经常被纳入恒星周围“宜居带”的指数中。

“这项研究强调,足以形成适宜居住的、水不会少也不会太多的表面环境的行星范围非常受限。”研究共同作者、瑞士伯尔尼大学空间和宜居性中心的KlausMezger说,“这些结果将指导天文学家在其他太阳系中寻找可居住的系外行星。”王坤认为,对于位于宜居带内的行星来说,在考虑一颗系外行星能否维持生命时,行星的大小应该被更加强调,并纳入常规考虑。

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