地球和火星是由太阳系内部材料制成的大型天体碰撞形成的

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2021-12-25 16:07
巨型小行星撞击地球

国际研究小组调查了太阳系内部岩石行星的同位素组成。

地球和火星是由主要起源于太阳系内部的物质形成的。这两颗行星的构建块中只有百分之几来自木星轨道之外。明斯特大学(德国)领导的一组研究人员于 2021 年 12 月 22 日在《科学进展》杂志上报告了这些发现他们对地球、火星和来自太阳系内外的原始建筑材料的同位素组成进行了迄今为止最全面的比较。其中一些材料今天仍然在陨石中基本未改变。这项研究的结果对我们理解形成行星水星、金星的过程产生了深远的影响。、地球和火星。假设四颗岩石行星通过积累来自外太阳系的毫米大小的尘埃卵石而增长到它们现在的大小的理论是站不住脚的。

 

大约 46 亿年前,在我们太阳系的早期,一个尘埃和气体盘绕着年轻的太阳运行。有两种理论描述了在数百万年的过程中,内部岩石行星是如何由这种原始建筑材料形成的。根据较旧的理论,太阳系内部的尘埃聚集成越来越大的块,逐渐达到大约与我们的月球一样大。这些行星胚胎的碰撞最终产生了内行星水星、金星、地球和火星。然而,一个较新的理论更喜欢不同的生长过程:毫米大小的尘埃“鹅卵石”从外太阳系迁移到太阳。在途中,它们被吸积到了内太阳系的行星胚胎上,并逐步将它们放大到了现在的大小。

水星、金星、地球和火星

四颗类地行星:水星、金星、地球和火星。

这两种理论都基于旨在重建早期太阳系条件和动力学的理论模型和计算机模拟;两者都描述了行星形成的可能路径。但哪一个是对的?实际发生了哪个过程?为了回答这些问题,在他们目前的研究中,来自明斯特大学(德国)、蔚蓝海岸天文台(法国)、加州理工学院(美国)、柏林自然历史博物馆(德国)和柏林自由大学(德国)确定了岩石行星地球和火星的确切组成。

该研究的第一作者、明斯特大学的 Christoph Burkhardt 博士说:“我们想知道地球和火星的组成部分是起源于外太阳系还是内太阳系。” 为此,在两颗行星富含硅酸盐的外层中的微小痕迹中发现的稀有金属钛、锆和钼的同位素提供了关键线索。同位素是同一元素的不同变种,它们仅在原子核的重量上有所不同。

陨石作为参考

科学家们假设在早期的太阳系中,这些和其他金属同位素的分布并不均匀。相反,它们的丰富程度取决于与太阳的距离。因此,它们掌握着有关某个天体的构建块起源于早期太阳系何处的宝贵信息。

作为外太阳系和内太阳系原始同位素清单的参考,研究人员使用了两种类型的陨石。这些岩石块通常是从小行星带到达地球的,小行星带是火星和木星轨道之间的区域。从太阳系开始,它们就被认为主要是原始材料。虽然所谓的碳质球粒陨石可能含有高达百分之几的碳,起源于木星轨道之外,后来由于不断增长的气态巨行星的影响才重新定位到小行星带,但它们的碳耗竭表亲,非碳质球粒陨石,是内太阳系真正的孩子。

火星陨石象碛 (EETA) 79001

火星陨石象碛 (EETA) 79001。科学家们在研究中检查了这些陨石和其他火星陨石。

地球可接近的外岩层和两种陨石的精确同位素组成已经研究了一段时间;然而,还没有对火星岩石进行比较全面的分析。在他们目前的研究中,研究人员现在检查了总共 17 块火星陨石的样本,这些陨石可以归为六种典型的火星岩石。此外,科学家们首次研究了三种不同金属同位素的丰度。

火星陨石的样品首先被磨成粉末并进行复杂的化学预处理。使用多收集器等离子体在明斯特大学行星学研究所的质谱仪上,研究人员随后能够检测到微量的钛、锆和钼同位素。然后,他们进行了计算机模拟,以计算今天在碳质和非碳质球粒陨石中发现的建筑材料必须与地球和火星结合的比例,以重现它们测量的成分。在这样做时,他们考虑了两个不同的吸积阶段,以分别解释钛和锆同位素以及钼同位素的不同历史。与钛和锆不同,钼主要积聚在金属行星核中。

研究人员的结果表明,地球和火星的外岩层与外太阳系的碳质球粒陨石几乎没有共同之处。它们仅占两颗行星原始构建块的 4% 左右。“如果早期的地球和火星主要是从外太阳系吸积尘埃颗粒,那么这个值应该几乎高出十倍,”明斯特大学的 Thorsten Kleine 教授说,他也是马克斯普朗克研究所的主任。哥廷根太阳系研究。“因此,我们无法证实这种内行星形成的理论,”他补充道。

丢失的建筑材料

但是地球和火星的成分也不完全符合非碳质球粒陨石的材料。计算机模拟表明,另一种不同类型的建筑材料也一定在起作用。“根据我们的计算机模拟推断,这第三类建筑材料的同位素组成意味着它一定起源于太阳系的最内部区域,”克里斯托夫·伯克哈特解释说。由于距离太阳如此近的物体几乎从未散布到小行星带中,因此这种物质几乎完全被内行星吸收,因此不会出现在陨石中。Thorsten Kleine 说:“可以说,这是我们今天无法直接获取的‘丢失的建筑材料’。”

这一令人惊讶的发现并没有改变行星形成理论研究的结果。Christoph Burkhardt 总结道:“地球和火星显然主要包含来自太阳系内部的物质,这一事实与太阳系内部大型天体碰撞形成行星的情况非常吻合。”












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