北京中科刘云涛 http://nb.ifeng.com/a/20171201/6196943_0.shtml
在过去的几十年里，人类在太阳系之外发现的行星数量已经增长到数千颗。目前，已在个系统中确认了颗系外行星，还有颗候选行星正在等待确认。通过大量的后续观察和研究，科学家们已经对我们宇宙中存在的行星类型、行星如何形成以及它们如何演化有了大量的了解。所有这一切的一个关键考虑因素是，随着时间的推移，行星会如何变得（并保持）适宜居住。一般来说，天体生物学家的工作是基于这样的假设，即宜居性取决于行星在系统内的轨道位置——在其母恒星的宜居带（HZ）内。然而，来自莱斯大学的一个团队的新研究表明，行星在其各自的恒星系统中形成的位置可能同样重要。这项研究最近发表在《自然地球科学》(NatureGeoscience)上，由赖斯大学的科学家团队完成。他们深入研究了恒星的适居带以外的因素，以考虑行星形成的相关因素将如何最终影响其宜居性。上图：莱斯大学科学家的一项研究表明，恒星系统中行星形成的位置将对其宜居性起到至关重要的作用。基本上，恒星的HZ（宜居带）指的是绕轨道运行的行星将经历足够温暖的条件，以支持其表面的液态水和丰富的大气——这是生命的关键成分。但是，在考虑了构成行星的元素之后，科学家们得出结论，一个行星在形成过程中捕获和保留的挥发性元素的数量，也将决定它是否适合居住。其核心是，物质从环绕太阳的圆盘吸积成原行星所需的时间，以及原行星分化成不同的层（金属内核、硅酸盐地幔和地壳以及大气包裹层）所需的时间。这两个过程之间的平衡，对于决定岩质行星将保留哪些可产生生命的挥发性元素至关重要，尤其是氮、碳和水。利用莱斯大学的高压实验室，研究小组使用氮作为挥发物的替代品，并模拟了原生行星是如何经历分化的。他们发现，在这个过程中，原行星中的大部分氮从地幔中流失并逃逸到大气中。从那里，随着原行星在下一阶段的生长过程中冷却或与其他天体相撞，氮气就会流失到太空中。然而，如果金属内核保留了足够的氮，那么它仍然具有足够的重要性。随着时间的推移，它将有助于稍后形成“类似地球”的大气层（在那里它将作为缓冲气体发挥重要作用）。由此，研究人员能够建立热力学模型，以及它如何影响氮在原行星大气层、熔融硅层和内核之间的分布。上图：艺术家对不同类型恒星的宜居带范围的描绘。主持此项研究的科学家在莱斯大学的新闻声明中解释说：“我们通过将含氮金属和硅酸盐粉末的混合物置于近3万倍的大气压下，并将它们加热到熔点以上，来模拟高压—高温条件。在回收的样品中，嵌在硅酸盐玻璃中的小金属斑点分别是原行星的内核和地幔类似物。”“我们意识到，所有这些储层之间的氮气分馏对原星体的大小非常敏感。利用这个想法，我们可以计算出氮是如何随着时间的推移在原行星体的不同储层之间分离，最终形成一个像地球一样的宜居行星的。”自然，这项研究对我们理解45亿多年前地球是如何形成的具有重要意义。从他们的研究结果来看，来自原行星盘的物质似乎快速增长，在它完成分化过程并呈现出目前的金属核、硅酸盐地幔/地壳和气体包层排列之前，形成了月球或火星大小的行星胚胎。对于整个太阳系，科学家们估计行星胚胎是在太阳之后-万年内形成的，剩下的星云物质形成了围绕太阳的圆盘——这比之前认为的要早得多。如果这些胚胎的分化速度快于胚胎的生长速度，那么这些岩石行星都不会积累到足够的挥发物，地球也就不会形成生命所必需的条件。上图：艺术家的概念是原始地球和忒伊亚（太阳系中曾经的一颗行星）之间的碰撞，被认为发生在45亿年前。研究团队中的另一位科学家，同时还是CLEVER行星项目的首席研究员。CLEVER行星项目项目（由美国宇航局资助）致力于探索生命所必需的元素是如何在整个宇宙的岩石行星上聚集在一起的。该科学家总结道：“我们的计算表明，通过行星胚胎形成地球大小的行星，这些胚胎在经历金属—硅酸盐分化之前生长得非常快，为满足地球的氮预算提供了一条独特的途径。这项研究表明，氮对形成核心的金属液体的亲和力，比以前认为的要大得多。”这项最新研究是建立在科学家们之前的发现基础上的，比如年的一项研究表明，地球上的挥发性物质中有多少可能是月球形成的撞击的结果。还有年发表的一项研究表明，地球从太阳系当地来源获得的氮比之前认为的要多。生长在太阳系内外的原行星都吸收了氮，地球则通过吸收这两个地区的原行星来吸收了氮，然而，我们不知道地球的氮平衡是如何建立起来的。综上所述，这些发现可能对未来研究行星系统如何形成、进化并最终发展出维持生命的能力具有重要意义。在未来的几年里，探索太阳系中最古老的天体（近地天体、主带天体和特洛伊/希腊小行星）的机器人任务可能会为了解太阳系的早期历史提供更多的信息——那是一个孕育生命元素的种子在地球和其他行星上播种的时期。如果朋友们喜欢，敬请

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