研究显示地球和火星是由内太阳系物质组成的大型天体碰撞形成

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根据一项新的研究,地球和火星主要由太阳系内部的物质组成;这两颗行星的组成只有百分之几来自木星轨道之外。由德国明斯特大学领导的一组研究人员在12月22日的《科学进展》杂志上报道了这些发现。

研究显示地球和火星是由内太阳系物质组成的大型天体碰撞形成-第1张图片-IT新视野

研究人员对地球、火星和太阳系内外的原材料的同位素组成进行了迄今为止最全面的比较。其中一些物质至今仍在陨石中发现,基本上没有变化。这项研究的结果对研究人员理解水星、金星、地球和火星的形成过程有着深远的影响。他们认为,这四颗岩石行星是通过从太阳系外部积聚毫米大小的尘埃卵石而成长为目前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,一个由尘埃和气体组成的圆盘环绕着年轻的太阳。有两种理论描述了内岩石行星是如何由这种原始建筑材料经过数百万年形成的。根据早期的理论,太阳系内部的尘埃聚集成越来越大的块体,逐渐达到我们月球的大小。这些行星“胚胎”的碰撞最终产生了水星、金星、地球和火星等内行星。然而,一个新的理论倾向于一个不同的生长过程:毫米大小的尘埃“鹅卵石”从太阳系外迁移到太阳上。在这一过程中,它们被吸附到太阳系内部的行星“胚胎”上,并一步一步地扩展到目前的大小。

这两种理论都基于理论模型和计算机模拟,旨在重建早期太阳系的条件和动力学;所有这些都描述了行星形成的可能路径。但哪一个是对的?究竟发生了什么过程?为了回答这些问题,在他们目前的研究中,来自明斯特大学、蓝海岸天文台(法国)、加州理工大学(美国)、柏林自然历史博物馆(德国)和柏林自由大学(德国)的研究人员确定了岩石地球和Mars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成分是来自外太阳系还是内太阳系。因此,在这两颗行星外富含硅酸盐的层中发现的微量稀有金属钛、锆和钼的同位素提供了一个关键线索。同位素是同一元素的不同种类,只是不同的元素它们的细胞核重量不同。"

研究显示地球和火星是由内太阳系物质组成的大型天体碰撞形成-第2张图片-IT新视野

科学家认为,这些和其他金属同位素在早期太阳系中的分布并不均匀。相反,它们的丰度取决于它们与太阳的距离。因此,他们掌握了关于早期太阳系中物体的组成部分起源于何处的宝贵信息。

作为内太阳系和外太阳系原始同位素列表的参考,研究人员使用了两种类型的陨石。这些大岩石通常是小行星带,位于火星和木星轨道之间的区域,用来寻找到地球的路径。它们被认为是太阳系早期的大部分原材料。所谓的碳质球粒陨石,其碳含量可以高达百分之几,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,它们迁移到小行星带。它们的“表亲”碳含量较低,是非含碳球粒陨石,实际上来自太阳系内部。

地球可到达的外层地层和这两类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类似的综合分析。在他们目前的研究中,研究人员总共检查了17个火星陨石样本,这些样本可分为六种典型的火星岩石类型。此外,科学家们首次调查了三种不同金属同位素的丰度。

他们首先将火星陨石样品制成粉末,并进行了复杂的化学预处理。在Mistar大学的行星科学研究所,使用多集电极等离子体质谱仪,研究人员就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,以计算今天在含碳和非含碳球粒陨石中发现的材料的比例,这些材料必须被纳入地球和火星中,以便重现其测量的成分。在这个过程中,他们考虑了两个不同的增生阶段,分别解释了钛、锆同位素和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的核心。因此,目前仍在富含硅酸盐的外层中发现的极少量钼只能在行星生长的最后阶段添加。

研究人员的结果表明,地球和火星的外层岩石与太阳系外层的碳质球粒陨石没有任何共同之处。它们只占这两颗行星原材料的4%左右。“如果早期的地球和Mars主要是从外太阳系积聚的尘埃粒子,这个值应该高出近10倍,”Thorsten Kleine博士说,他是Max普朗克太阳系研究所所长。“因此,我们无法证实内行星形成的理论,”他补充道

然而,地球和火星的成分与非碳质球粒陨石的成分并不完全一致。计算机模拟表明,另一种不同的建筑材料也必须发挥作用。Christoph Burkhardt解释说:“根据我们的计算机模拟,这第三种建筑材料的同位素组成意味着它必须起源于太阳系的最内部区域。由于离太阳如此近的天体几乎从未散射到小行星带中,因此这种材料几乎完全被内行星吸收,因此它可以被太阳系的最内部区域吸收。”我不会出现在陨石上。可以说,这是‘丢失的建筑材料’,我们今天无法直接接触到它,”托尔斯滕·克莱恩说。

这一令人惊讶的发现并没有改变这项研究对行星形成理论的影响。Christoph Burkhardt总结道:“很明显,地球和火星主要包含来自太阳系内部的物质,这与太阳系内部大型物体碰撞形成的行星非常一致。”

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