打开地外生命研究的另一把钥匙：放射性重元素_风闻

　　编译：雷丰图

　　参考文章：https://phys.org/news/2020-11-radioactive-elements-crucial-habitability-rocky.html

　　校对：牧夫天文校对组

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　　根据加州大学圣克鲁斯分校的一个跨学科科学家小组的一项新研究，当一颗岩石行星形成时，其内部所含的长周期放射性元素数量可能是决定其未来宜居性的一个关键因素。

　　因为由重元素钍和铀的放射性衰变产生的热能推动了板块的运动，这可能是地球产生磁场的必要条件。而地球磁场使太阳风和宇宙射线所携带的高能粒子无法直接抵达地表，也就阻止了其对生命可能造成的危害。同为岩质行星，根据岩石样本，火星的磁场39亿年前就已消失。

　　迄今为止，最广为人知的地磁场形成理论——“发电机”学说——认为在地球深处地核外存在着熔融金属。这些具有导电性的液态金属在流动的过程中产生庞大的电流，从而产生了地球的磁场。加州大学圣克鲁斯分校地球和行星科学教授、该研究论文的主笔佛朗西斯·尼莫（Francis Nimmo）认为，地球的放射性元素为维持发电机效应提供了足够多的热能。该论文于11月10日发表在《天体物理学杂志通讯》上。

　　地球的地核外被认为是由熔融态的铁和镍组成。这些液态金属是导电的，流动的过程中会产生强大的电流，进而根据右手法则产生磁场。

　　Credit: Lumen Learning

　　尼莫解释说：“我们意识到不同的行星积累了不同数量的放射性元素，而这些元素最终会为地质活动和磁场提供动力。因此，我们采用了一个地球模型，并输入不同的放射性物质所产生的热能值，来模拟相应的结果。”

　　他们发现，如果该热能值超过地球指标，则这个星球将不能像地球这样永久地维持发电机效应。这是因为大部分钍和铀最终都进入了地幔，而高温的地幔会成为隔热体，熔融金属无法快速失去热量，这阻止了磁场的对流运动。

　　另一后果则是更加频繁的火山活动，这可能导致频繁的大灭绝事件。相反，如果放射性热能太少，则不会产生任何火山活动，地球在地质层面上就会成为一个 “死寂"的星球。

　　只需要这一个变量就可以通过模型体验到不同世界。死寂的状态，到类似地球的状态，再到极度活跃但没有磁场的状态。这些发现值得我们做更详细的研究。

　　假设地球深部是热源（图中的火），熔融态的铁和镍近乎液态（图中的水）。在靠近地幔的液态金属传递出热量后，稍稍冷却的液体会向内运动，而内部温度较高的液体则会向外运动。这一循环构成了对流运动。而如果地幔的温度太高（设想外面的室温和火的温度一样高），则不会有显著的对流运动。

　　Credit：Koolance

　　根据天文学和天体物理学教授娜塔莉·巴塔哈（Natalie Batalha）的说法，行星的“发电机”效应已经以多种方式与其宜居性联系在一起。她积极推动了关于这项研究的跨学科合作。

　　巴塔哈认为：“长期以来，人们猜测地热导致板块运动，从而产生碳循环和火山活动等地质活动，再到大气层的形成。并且，维持大气层的能力也与磁场有关，而行星的磁场直接由地热驱动。”

　　图为上文提到的三种情况，过度火山化的地球，正常的地球，以及“死寂”的地球。

　　Credit: Melissa Weiss

　　已退休的物理学教授乔尔·普里马克（Joel Primack）是合著者之一，他补充了更多细节：“恒星风是指从恒星喷出的快速移动的粒子束。如果行星没有磁场，它就会持续地侵蚀行星的大气层。”

　　比如，火星的大气层之所以如此稀薄，缺乏磁场显然是一部分原因，再加上它的引力较低。它以前的大气层可能比较厚，甚至有一段时间还有地表水。然而没有了磁场的保护，更多的辐射会抵达行星表面，慢慢地火星的表面也变得不那么宜居。

　　普里马克指出，对放射性热能至关重要的重元素钍和铀是在中子星合并过程中产生的，而中子星合并是一类极其罕见的事件。这些所谓的r过程元素在中子星合并过程中的产生机制也是该项目组的研究重点。

　　普里马克认为这些元素出现在恒星和行星的数量会有相当大的变数，因为这取决于它们与这些罕见事件发生的地方的远近。

　　天文学家可以利用光谱分析来测量恒星中不同元素的丰度，并通过行星与其环绕恒星的成分相似性来预计该行星的构成。在恒星光谱中很容易观察到的稀土元素铕，是类似与钍和铀这两种半衰期较长的放射性元素的同一过程产生的。因此铕可以作为线索来研究银河系恒星和行星中这些重元素的变化。

　　太阳风，是指从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。一次太阳风的辐射量对一个人来说很容易达到多次的X线检查量。同时还会造成人体免疫力下降等危害。

　　Credit: NASA

　　天文学家已经对银河系内附近的许多恒星进行了铕测量。因此，尼莫在他的地热模型里能够利用这些测量结果做出预测。太阳的成分就在这个范围的中间。根据普里马克的说法，许多恒星的铕与镁之比只有太阳的一半，同时也有很多恒星的这一比例是太阳的两倍。

　　这是一个复杂的故事，因为这两个极端都对宜居性有影响。你需要足够的地热来维持板块运动，但又不能多到使产生磁场的“发电机熄火”。

　　最终，我们正在寻找最有可能的生命栖息地。铀和钍这样重元素的丰度似乎就是关键因素。

　　利用对恒星的铕测量，天文学家便可以根据不同行星的放射性物质含量识别这些行星的特征。特别是在韦伯空间望远镜投入使用后，它会是我们观察系外行星大气的重要工具。

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