研究:地球和火星是由内太阳系物质组成的大型天体碰撞形成

研究:地球和火星是由内太阳系物质组成的大型天体碰撞形成

研究人员提出了迄今为止对地球火星以及来自内太阳系和外太阳系的原始材料的同位素组成的最全面比较。其中一些材料今天仍然在陨石中发现,基本上没有改变。这项研究的结果对研究人员了解形成水星、金星、地球和火星的过程有深远的影响。他们认为这四颗岩质行星是通过积累来自外太阳系的毫米大小的尘埃卵石而成长到现在的大小的理论是不成立的。

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,内层岩质行星是如何从这种原始建筑材料中形成的。根据较早的理论,内太阳系的尘埃聚集成越来越大的块状物,逐渐达到我们月亮的大小。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,一个较新的理论倾向于一个不同的成长过程:毫米大小的尘埃”卵石”从外太阳系向太阳迁移。在途中,它们被吸附到内太阳系的行星“胚胎”上,并一步一步地将它们扩大到现在的大小。

这两种理论都是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态;都描述了行星形成的可能路径。但是哪一个是正确的?哪个过程实际发生了?为了回答这些问题,在他们目前的研究中,来自明斯特大学、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)的研究人员确定了岩质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:“我们想找出地球和火星的组成成分是源于外太阳系还是内太阳系。为此,在两颗行星的外部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关键线索。同位素是同一种元素的不同种类,只在其原子核的重量上有所不同。”

研究:地球和火星是由内太阳系物质组成的大型天体碰撞形成

陨石作为参考

科学家们认为,在早期太阳系中,这些和其他金属同位素并不是均匀分布的。相反,它们的丰度取决于与太阳的距离。因此,它们拥有宝贵的信息,说明在早期太阳系中某一物体的构件起源于何处。

作为内太阳系和外太阳系的原始同位素清单的参考,研究人员使用了两种类型的陨石。这些大块的岩石一般是从小行星带,也就是火星和木星的轨道之间的区域找到它们的方式来到地球。它们被认为是来自太阳系初期的大部分原始材料。所谓的碳质球粒陨石,其含碳量可高达百分之几,起源于木星轨道之外,后来由于受到不断增长的气态巨行星的影响,才迁移到小行星带,而其含碳量更低的“表亲”,非碳质球粒陨石,则是真正源自内太阳系。

对地球可触及的外岩层和这两种类型的陨石的精确同位素组成的研究已经有一段时间了;然而,对火星岩石还没有进行过类似的全面分析。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,这些样本可以被归入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。

他们首先对火星陨石样品进行粉化,并进行了复杂的化学预处理。通过使用明斯特大学行星学研究所的多收集器等离子体质谱仪,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材料必须被纳入地球和火星的比例,以便再现其测量的成分。在此过程中,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,钼主要积累在金属行星核心中。因此,今天在富含硅酸盐的外层仍然发现的极少量的钼,只能是在行星生长的最后阶段添加的。

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没有什么共同之处。它们只占这两颗行星的原始材料的大约4%。明斯特大学的Thorsten Kleine教授博士说:“如果早期的地球和火星主要是从外太阳系吸积的尘粒,那么这个数值应该高出近10倍,”他也是哥廷根马克斯普朗克太阳系研究所的所长。他补充说:“因此,我们不能确认这个关于内行星形成的理论。”

但是,地球和火星的组成与非碳质球粒陨石的材料也不完全一致。计算机模拟表明,另一种不同的建筑材料也一定在发挥作用。Christoph Burkhardt解释说:“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必须起源于太阳系的最内部区域。由于来自如此接近太阳的天体几乎从未散落到小行星带,这种材料几乎完全被吸收到内行星中,因此不会出现在陨石中。可以说,这是‘丢失的建筑材料’,我们今天已经无法直接接触到它,”Thorsten Kleine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总结说:“地球和火星显然主要包含来自内太阳系的材料,这与内太阳系大型天体的碰撞所形成的行星很吻合。”

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