形成月球的行星碰撞使地球上的生命成为可能
研究:行星运输解释了地球碳和氮的神秘特征
地球上的大部分生命必需元素——包括你体内的大部分碳和氮——可能来自另一个星球。莱斯大学(Rice University)的岩石学家在《科学进展》(Science Advances)期刊上发表的一项新研究显示，地球上的碳、氮和其他生命必需的挥发性元素，很可能是在44亿年前的行星碰撞中形成的。
从对原始陨石的研究中，科学家们早就知道，地球和太阳系内部其他岩石行星的挥发物都被耗尽了。但人们一直在热烈讨论这种不稳定传递的时机和机制。我们的方案是第一个可以解释时间和交付方式的方案，这种方式与所有地球化学证据一致。该证据是由Dasgupta实验室的高温高压实验组合而成的，该实验室专门研究地球化学反应，这些反应发生在行星深处的高温高压环境中。
在一系列实验中，达曼维尔·格里瓦尔(Damanveer Grewal)收集了证据，以检验一个长期存在的理论，即地球的挥发物来自于与一颗核心含硫丰富的胚胎行星的碰撞。由于一系列令人困惑的实验证据表明，除了地核以外，地球上所有地方都存在碳、氮和硫，所以这颗捐赠行星的地核的硫含量很重要。“地核不与地球其他部分相互作用，但它上面的一切，地幔、地壳、水圈和大气，都是相互联系的，”格里瓦尔说。“它们之间的物质循环。”
关于地球是如何接收挥发物的一个长期存在的观点是“后期贴面”理论，即富含挥发物的陨石，即太阳系外原始物质的残余物，是在地核形成之后到达地球的。虽然地球的挥发物的同位素特征匹配这些原始对象,称为碳质球粒陨石,元素碳氮比。地球的非核心材料,地质学家称之为地球大部分硅酸盐,大约有40部分碳氮,每个部分大约为20:1比率在碳质球粒陨石的两倍。
Grewal的实验模拟了地核形成过程中的高压和高温，验证了一种观点，即富含硫的行星地核可能排除碳或氮，或者两者兼而有之，与地球相比，这些元素在大块硅酸盐中所占比例要大得多。在一系列温度和压力范围内的测试中，Grewal在三种情况下检测了有多少碳和氮进入了内核:无硫、10%的硫和25%的硫。“氮基本上不受影响，”他说。“相对于硅酸盐，它仍可溶于合金中，只是在最高硫浓度下才开始从岩心中被排除。”相比之下，碳在中等硫浓度的合金中溶解度要低得多，含硫合金的含碳量约为无硫合金的10倍。
达斯古普塔、格里瓦尔和莱斯大学博士后研究员孙晨光利用这些信息，以及已知的地球和非地球物体中元素的比例和浓度，设计了一个计算机模拟程序，以找出产生地球挥发物的最可能场景。找到答案需要改变初始条件，运行大约10亿个场景，并将它们与今天太阳系的已知条件进行比较。“我们发现的是，所有证据——同位素特征、碳氮比以及硅酸盐地球整体碳、氮和硫的总量——都与一颗含有挥发物、火星大小、核心含硫丰富的行星的成月撞击相一致，”格里瓦尔说。
达斯古普塔是美国国家航空航天局资助的“智慧行星”项目的首席研究员，该项目正在探索生命基本元素如何在遥远的岩石行星上聚集。达斯古普塔说:“这项研究表明，一颗岩石状的类地行星，如果它是在巨大的撞击中形成并成长起来的，那么它就有更多的机会获得生命所必需的元素。这些撞击可能来自于一颗原行星盘的不同部位，这些行星的构造块可能是不同的。”“这消除了一些边界条件，”他说。“这表明，生命必需挥发物可以到达行星的表层，即使它们是在经历了不同条件下的地核形成的行星上产生的。”达斯古普塔说，地球上的大量硅酸盐本身似乎无法达到产生生物圈、大气层和水圈的生命必需的不稳定平衡。“这意味着我们可以扩大对导致挥发性元素聚集在一个星球上支持我们所知的生命的途径的研究。”