从星尘到暗淡蓝点：宇宙中的碳元素如何来到地球

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从星尘到暗淡蓝点：宇宙中的碳元素如何来到地球是怎么回事，是真的吗？2021年04月27日是本文发布时间是这个时间。下面一起来看看到底怎么回事吧。
                                从星尘到暗淡蓝点：宇宙中的碳元素如何来到地球
                               
                                天文学家卡尔·萨根有句名言：我们都是星尘。而包括美国密歇根大学在内的两个研究团队分别发现，这可能比我们先前认为的更真实。
                               
                               


图片来源：Pixabay

来源 密歇根大学
翻译 阿金
审校 戚译引

第一项研究来自密歇根大学的 Jie Li 团队，发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。该研究表明，地球上的大部分碳很可能来自于星际物质，即存在于星系各恒星之间的太空物质。这很可能发生在原行星盘（protoplanetary disk）形成和升温一段时间之后。原行星盘是尘埃和气体形成的云团，环绕我们年轻的太阳，其中蕴含着构成行星的基本成分 。

碳可能是在太阳诞生后一百万年之内形成了固体物质，这意味着作为地球生命基石的碳元素跨越星际之旅，顺利抵达我们的星球。

此前，科学家认为地球上的碳来自最初存在于星云气体中的分子，当气体冷却到足以沉积之时，被岩石行星吸收。Li的团队成员包括密歇根大学的天文学家 Edwin Bergin、加州理工学院（California Institute of Technology）的 Geoffrey Blake、芝加哥大学（ University of Chicago）的 Fred Ciesla 和明尼苏达大学（University of Minnesota）的 Marc Hirschmann，他们在研究中指出，携带碳的气体分子无法参与地球的构建，因为一旦碳元素蒸发出去，就不会再凝聚形成固体。

“凝聚模型（condensation model）在过去几十年中应用广泛。该模型假设，太阳形成过程中，组成的所有行星元素得到蒸发，随着原行星盘冷却下来，一些气体凝聚起来，为固态天体提供化学成分。但这模型不适用于碳元素。”Li 讲道，她是密歇根大学地球和环境科学系教授。

许多碳以有机分子的形式进入星盘。然而，一旦碳元素蒸发，它就会形成挥发性强得多的物质，需要极低的温度才能重新形成固体。更重要的是，碳元素不会再凝聚形成有机物形式。因此，Li 和团队推测，地球上的大部分碳可能直接来自于星际物质，完全不经过蒸发过程。

为了更好理解地球如何获得碳元素，Li 估算了地球的最高含碳量。为此，她比较了地震波穿过地核的速度和已知的地核内声速。结果表明，碳元素占据了不到 0.5% 的地球质量。理解地球碳含量的可能上限让研究人员知道碳元素何时抵达地球。

“我们提出了一个与众不同的问题：我们追问地核能容纳多少碳，同时仍能与所有常数保持一致。”Bergin解释说，“这里有不确定因素。不过让我们接受这一不确定性，寻找地球最深处碳含量的真正上限，结果会告诉我们身处的真实环境。”Bergin是密歇根大学天文系教授和系主任。

行星碳含量必须比例适中，才能维持生命存在。如果碳太多，地球大气层就就会像金星一样，来自太阳的热量无法扩散到外界，让行星温度保持在 880 华氏度（约 471 摄氏度）左右。如果碳太少，地球就会像火星一样成为一片不毛之地：无法支持基于水的生命存在，温度保持在零下 60 华氏度（零下 51 摄氏度）。

第二项研究来自同一作者团队，但由明尼苏达大学地球和环境科学教授 Hirschmann 领导。研究人员调查了行星的小型前体——微行星（planetesimal）在早期形成过程中保留碳的同时如何处理碳。他们检查了这些如今作为铁陨石留存下来的天体内的金属内核，发现在行星起源的关键时刻，随着微行星的融化，大部分碳必定会流失，形成地核，并损失气体。Hirschmann 表示，这颠覆了以前的理论。

“大部分模型认为，碳和水、氮等其他生命必需物质脱胎于星云，进入原始岩石天体内，然后落入不断成长的行星，例如地球或者火星。”Hirschmann 解释说，“但这跳过了关键一步，微行星在被行星吸收之前已在这一步流失了大部分碳。”

Hirschmann 的研究近期发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

“行星需要碳来调节自身气候，让生命得以存在，但这其中有微妙的平衡。”Bergin 说，“你不想要碳过少，但也不需要太多。”

Bergin 表示，两项研究都描述了碳流失的两大不同方面，而碳流失似乎是将地球建设为宜居行星的核心。

“只有联合像天文学和地球化学这样的学科，才能帮忙回答宇宙其他地方是否存在类地球行星，”加州大学的地球物理科学教授 Ciesla 说道，“虽然不同领域的研究人员采用的方法、所要回答的专业问题不尽相同，但构建一段连贯的历史要求首先确定共同感兴趣的话题，找到方法弥合其中的知识鸿沟。这种做法很有挑战，但这项工作也是鼓舞人心、回报丰厚的。”

加州理工的宇宙化学、行星科学和化学教授 Blake 是这两项研究的合作者，他说这样的跨学科研究很关键。

“仅仅就我们星系的历史而言，围绕类似太阳一样的恒星形成像地球一样或者更大一些的岩石行星，这一过程已经发生过数亿次，”他说，“我们能不能扩展这项研究，在更大范围内检验行星系统的碳损失问题呢？像这样的研究将需要集结更多元的科学家。”

参考来源：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/uom-fst033121.php