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地幔霓虹灯照亮了地球的形成

发布时间:2018-12-06 06:28:01

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根据12月5日发表在“自然”杂志上的一项研究,地球在太阳周围的尘埃和气体云中相对较快地形成,将水和气体捕获在地球的地幔中。除了解决地球的起源外,这项工作还有助于确定可以支持可居住行星的太阳系外系统。

利用从地球深处到深空的数据,加州大学戴维斯分校Sujoy Mukhopadhyay教授和博士后研究员Curtis Williams使用氖同位素来展示行星是如何形成的。

“我们试图了解地球幔中霓虹灯的获取位置和方式,它告诉我们行星形成的速度以及在什么条件下,”威廉姆斯说。

威廉姆斯说,霓虹灯实际上是水,二氧化碳和氮气等气体来源的替代品。与这些对生命至关重要的化合物不同,氖是惰性惰性气体,不受化学和生物过程的影响。

“所以霓虹灯记住它在五十五亿年后的来源,”Mukhopadhyay说。

关于地球如何在40亿年前由尘埃和气体的原行星盘形成,以及如何将水和其他气体输送到不断增长的地球,有三种相互竞争的想法。在第一个星球上,这个星球相对快速地增长了二百万到五百万年,并从星云中捕获了气体,这个星云围绕着年轻的太阳旋转着尘埃和气体。第二种理论认为尘埃粒子形成并被太阳照射了一段时间,然后凝结成微小的物体,这些物体被称为星子,随后传递到生长的行星。在第三种选择中,地球形成相对缓慢,气体由富含水,碳和氮的碳质球粒陨石传播。

Mukhopadhyay说,这些不同的模型对早期地球的形象有影响。如果地球迅速从太阳星云中形成,它将在地表或附近产生大量氢气。但是,如果地球是由碳质球粒陨石形成的,那么它的氢就会以更加氧化的形式进入水中。

霓虹灯从海底到深空

为了弄清楚行星形成和气体输送的三个相互竞争的想法中哪一个是正确的,Williams和Mukhopadhyay准确地测量了行星形成时被困在地幔中的氖同位素的比率。氖有三种同位素,氖-20,21和22.这三种都是稳定的非放射性的,但氖-21是由铀的放射性衰变形成的。因此,自地球形成以来,地球上的氖-20和22的数量一直保持稳定,并且将永远保持,但氖-21随着时间的推移逐渐积累。预计地球形成的三种情景将具有不同的氖-20与氖-22比率。

他们最接近地幔的方法是看海底的岩石叫枕头玄武岩。这些玻璃状岩石是来自地球深处的流体残留物,在海洋中溢出并冷却,后来由罗德岛大学领导的钻探探险队收集,该探险队将其收集提供给其他科学家。

气体存在于玄武岩内的微小气泡中。使用压力机,威廉姆斯在密封室中破碎玄武岩碎片,使气体流入敏感的质谱仪。

现在为空间部分。以前的研究人员利用创世纪任务的数据建立了“太阳星云”(早期快速形成)模型的氖同位素比率,该任务捕获了太阳风的粒子。 “辐照粒子”模型的数据来自月球土壤和陨石的分析。最后,含碳球粒陨石提供了“晚期吸积”模型的数据。

适宜居住的星球的最小尺寸

威廉姆斯说,他们发现的同位素比率远高于“辐照粒子”或“晚期吸积”模型的同位素比率,并支持快速早期形成。

“这清楚地表明,在深层地幔中存在星云氖,”威廉姆斯说。

记住,霓虹灯是那些其他挥发性化合物的标志物。氢气,水,二氧化碳和氮气同时会凝结在地球中 - 据我们所知,这些成分构成了一个可居住的星球。

结果意味着,为了吸收这些重要的化合物,在太阳星云消散之前,行星必须达到一定大小 - 火星的大小或稍大一点。威廉姆斯说,对其他太阳系的观测表明,这需要大约二三百万年。

在其他恒星周围发生同样的过程吗?研究人员表示,智利Atacama大型毫米波阵列(ALMA)天文台的观测结果表明,它确实存在。

ALMA使用66个射电望远镜阵列作为单一仪器对宇宙中的尘埃和气体进行成像。它可以看到附近一些恒星附近的行星形成的尘埃和气体盘。在某些情况下,那些磁盘中的灰尘已经耗尽。

“有几种方法可以从磁盘上清除灰尘,其中一种是它们正在形成行星,”威廉姆斯说。

“我们可以观察到其他太阳系中的气体盘中的行星形成,并且在地球内部保存了我们自己的太阳系的类似记录,”Mukhopadhyay说。 “这可能是行星在其他地方形成的常见方式。”

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