宇宙天文：恒星撞擊可能為行星宜居性提供燃料


圖片來源：美國國家科學基金委員會激光幹涉引力波天文台（LIGO），索諾馬州立大學 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。“我們在尋找能夠讓人想起家的行星”，加州大學聖克魯斯分校的天文學家 Natalie Batalha說。這意味著岩質行星與其恒星——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，從而令其表麵的水以液態形式存在。
然而，當天文學家們發現了數以萬計的行星時，他們邂逅的是由形形色色的行星組成的迷亂動物園。因此，一顆岩質行星（以目前望遠鏡的識別能力而言，指類地行星）可能與我們熟知的世界千差萬別。既然如此，那麽這些岩質行星的環境到底能有多麽詭譎呢？即使是極端怪異的世界也能夠孕育生命嗎？ “是什麽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。”
很多這樣的物理過程發生在行星的內部深處。特別是行星內部的放射性元素，他們可能通過加熱行星內部對宜居性產生重大影響。人們認為，至少在地球上，一個強健穩定的地熱來源對板塊構造和行星磁場的形成至關重要，二者轉而也對生命有決定性的影響。在核心熱量的驅動下，地殼板塊像傳送帶那樣在地球表麵滑動，有助於穩定行星的氣候。而通過地質時代的碳循環，板塊運動也調節著大氣中的二氧化碳。我們行星的磁場形成於地核處旋轉的熔鐵層產生的電流，幫助我們抵禦嚴酷的宇宙輻射。這台地質“發電機”的性能取決於地幔中放射性熱的含量。
如今，一項新的研究發現，一個宜居的世界可能確實需要適量的放射性核素。若放射性核素過多，那麽行星可能缺乏形成強力磁場的旋轉發電機，不過它也可能因此而擁有炙熱岩石烤出的厚重而又惡劣的大氣層。若放射性核素過少，那麽行星不夠溫熱的內核可能過於寒冷呆滯，根本無法維持地質活動——甚至可能使發電機停機。
這項研究於發表於《天體物理學雜誌通訊》，第一作者為加州大學聖克魯斯分校的地球物理學家 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。”
發現了一顆宜居行星？那得感謝中子星關於放射性核素對行星內核可能產生的影響，本項研究的學者們並非首個探究這一課題的團隊。不過，未參與這項研究的科羅拉多大學博爾德分校的地理學家 Stephen Mojzsis 表示，這篇論文“探究了係外類地行星產生的不同熱量引發的地球物理學和地球動力學結果，比我之前讀過的相關研究更加詳盡”。


圖片來源：Pixabay
在我們的行星內部，熱對流驅動著發電機：炙熱的熔鐵從深處被抬升，與頂層溫度更低的地幔相遇，隨後冷卻並再次向地核方向下沉。這一循環將熱量傳遞至地幔，再經由板塊運動通過地表釋放出來。炙熱的地幔物質從板塊邊界及其他地質構造活躍區域的地殼裂縫中滲
出。冰冷的地表岩石堆擠入滾熱的地幔，像往溫熱的飲料中加冰一樣使之冷卻下來。Nimmo表示，拋開上述在調節地球氣候方麵的重要性不談，如果沒有板塊運動，地幔便無法有效冷卻。換言之，地球若沒有板塊運動，便不會形成對流，遑論發電機的存在了。


圖片來源：Pixabay
一顆岩質行星是否具有發電機和板塊運動並非事先決定的。在所有圍繞我們的太陽做公轉的類地行星中，隻有地球二者兼備，這很大可能是因為地球的大部分熱仍留存在其內部。
Mojzsis 表示，現如今，地球大概有一半的熱量是其誕生時留下來的，這些熱量來自數千萬年間無數岩石在重力作用下聚集產生的高能撞擊。而我們的行星餘下的大部分內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後爆炸進入更廣袤的宇宙。此類撞擊十分罕見，在類似銀河係這樣的大星係中約每10萬年發生一次。每次發生，撞擊事件都會產生大量放射性核素，他們最終參與形成巨大的氣體和塵埃雲，這些氣體和塵埃雲偶爾會塌縮形成恒星和行星。由於此類撞擊實在太過稀少，銀河係中恒星內放射性核素的豐度差異很大，範圍約在我們太陽係“當地”水平的30%至300%之間。
撰文：Marcus Woo
翻譯：耿淑娟
審校：王昱
引進來源：科學美國人
引進鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/stellar-smashups-may-fuel-planetary-habitability-study-suggests/


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