小行星带来了生命必需元素？_风闻

原创：牧夫天文

翻译：陈艳玲 

校译：汪荣鑫 陆寅枫 田程偲

编排：胡暖暖

原文链接：

https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/did-a-mars-size-body-bring-life-essential-elements-to-earth/

引言

在碰撞假说中，地球与火星大小的天体碰撞后不仅产生了月球，还可能带来了生命诞生必需的元素。

一个火星大小的天体可能在很久以前曾经碰撞地球，带来了生命诞生必需的易挥发元素。

Don Davis / The New Solar System

科学家们很久以前就对地球上这些易挥发有机物元素的来源提出了很多假说。这些低沸点易挥发元素包括碳、硫、氮，在地球早期是不存在的。莱斯大学的研究者提出这些挥发物可能是与地球碰撞后产生月球的那个天体带来的。他们的研究结果被发表在1月23日的Science Advances杂志上。

碳元素：去地幔还是地核？

45亿年前当地球开始形成的时候，它在原初行星盘中的周围环境里吸积气体、尘埃、和残骸，形成一个熔融的岩浆球。任何易挥发的元素在这样的极高温环境下都会蒸发——意味着一定有后续事件将易挥发元素送到地球上，才会产生生命。

科学家很早就提出一个假说，认为地球上那些富含挥发物的原初含碳陨石从太阳系外飞来，并在地球形成的最晚期与地球碰撞。但是文章的第一作者——研究生Damanveer

Grewal说这个假说存在漏洞：含碳球粒状陨石中的碳氮比例是20比1，但是地球上的硅酸盐（广泛存在于地球的地壳、大气、地幔、海洋中）中的碳氮比例却仅有2比1。研究者不得不思考可能给地球带来挥发性元素的其他来源。

科学家制作了一个物理模型，他们模拟了一个高温高压环境来模拟原初行星体形成的环境。他们用混合的硅酸盐模拟地壳和地幔，用铁镍合金模拟地核，在模型中加入易挥发元素，观察在这样的环境中，也就是合金与硅酸盐混合物分离的过程中，易挥发元素的分布如何演变。

科学家特别注意了碳元素分布的演变：如果碳元素倾向于沉积在行星核中，那么硅酸盐中的碳氮比应该偏低；反之，如果碳元素倾向于进入行星幔中的硅酸盐，硅酸盐中的碳氮比应该偏高。

实验表明，碳元素如何分布取决于硫元素是否存在。若模型中没有硫元素，大部分碳元素会沉积于行星核中；若模型中含有25%的硫元素，大部分碳元素会上浮进入硅酸盐中，导致行星幔中检测出很高的碳氮比。       

富含易挥发元素的天外来客

上述实验得到结果后，团队准备继续模拟最可能是什么样的天体将易挥发元素带给了地球。联合作者Chenguang Sun说他们做了近十万次实验模拟不同尺寸和成分的撞击物，探索究竟哪一类天体碰撞地球最容易在地球上造成这样的元素配比。模拟结果表明：火星大小的天体最有可能，而这个尺寸的天体恰好也是撞击地球产生月球的最可能情况。

模拟表明，在地球吸积到大约是今天质量的90%的时候，与这个富含挥发性元素的天体发生了碰撞。碰撞后，地球吸收了周边的小天体。天体的核与地核发生融合，使地核中的硫元素含量剧增。同时，天体的幔（主要由硅酸盐组成）与地幔发生了融合。融合总体来说稀释了地球上的碳、氮总含量，但是碳氮的比例可能并没有发生改变。最终，与天体碰撞融合后，地球的质量和元素配比满足了生命诞生的条件。对这种撞击的模拟结果是在地球的硅酸盐中达到碳氮比40比1。

示意图描绘了地球与一个核幔分离的天体碰撞融合的过程。核中富含硫元素，使最终融合的天体的幔中的硅酸盐含有很高的碳氮比。这场可能形成月球的碰撞解释了地球上生命诞生必备的碳、氮、硫元素从何而来。

Rajdeep Dasgupta

但是明尼苏达大学的Marc Hirschmann质疑道：“这个理论虽然可以很好地解释地球上的碳氮硫元素配比，但并不能很好的解释水的来源，水的来源可能更加复杂。地球上的易挥发元素可能不是一次碰撞凑齐的，还有很多其他机会可以为地球带来易挥发元素。”

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不像火星，地球有磁场保护，免受太阳风吹走我们的大气层。