地球是如何形成的?新研究改寫了地球誕生的時間線

天文在線 發佈 2021-10-18T20:41:41+00:00

根據一項分析。認為地球的形成不同於從前的模型,與CI球粒隕石的形成相似,新的模型認為地球的形成只用了500萬年,比目前的模型顯示的要短几倍。在太陽系形成初期,形成年幼的地球所花費的時間可能比我們認為的要短得多。

根據一項分析。認為地球的形成不同於從前的模型,與CI球粒隕石的形成相似,新的模型認為地球的形成只用了500萬年,比目前的模型顯示的要短几倍。

在太陽系形成初期,形成年幼的地球所花費的時間可能比我們認為的要短得多。

一項分析顯示,有證據表明,僅僅用了 500 萬年,形成地球的大多數物質就聚集在一起了——這比目前模型推算出的時間短了幾倍。

對前一理論的重新審視,讓我們對行星形成機制的理解發生了很大變化。行星的形成機制可能比我們預想的更豐富,即使是位於同一區域的同類行星也可能由不同機制形成,例如同為岩石行星的火星和地球。

由此可見,我們並不百分百確定行星是如何形成的。天文學家對此有很好的總體思路,但至於細節……沒辦法,我們不確定,因為行星的形成很難被觀察到。

行星形成過程的大概過程與該過程自身有關。當一團團的塵埃和氣體在自身引力作用下坍縮並開始旋轉時,恆星就開始形成。上述過程使周圍的灰塵和氣體開始以其為中心形成漩渦,就像水圍著在排水溝眼打旋一樣。

當它旋轉時,所有這些物質會形成一個扁平的圓盤,被成長中的恆星吞噬。但圓盤並不會被完全吞掉——剩下的部分叫做原行星盤(protoplanetary disc),它會繼續形成行星;這就是為什麼所有太陽系的行星都大致排列在圍繞太陽的一個平面上。

當談及行星形成時,人們認為圓盤中微小的灰塵和岩石會在靜電力的作用下粘在一起。然後,隨著它們體積的增大,它們產生的重力也會增大。它們開始通過偶然的相互作用和碰撞吸引其他團塊,逐漸變大,直到它們成為一個完整的星球。

對於地球而言,人們認為這個過程需要數千萬年。但根據丹麥哥本哈根大學(University of Copenhagen in Denmark)的科學家對地幔中發現的鐵的同位素的分析表明,事實可能並非如此。

就組成而言,地球似乎不同於太陽系的其他天體。地球、月球、火星、隕石都含有天然生成的鐵的同位素,如 鐵-56 和較輕的 鐵-54。但上述物質的含量在月球、火星和大多數隕石上都較為相似,只有地球的 鐵-54含量明顯低於上述天體。

唯一與地球成分相似的其他岩石是一種罕見的隕石—— CI 球粒隕石(CI chondrite)。這些隕石的有趣之處在於它們的成分與整個太陽系相似。

想像一下,如果你收集了做博洛尼亞大紅腸所需的一切食材。把它們放進一個大鍋中混合起來——這就是原行星盤,太陽系的雛形。但你如果把原料放進一堆小鍋里,且每個鍋中原料的比例有所不同——現在你就有了單獨的行星和小行星。

CI 球粒隕石的特別之處在於這個類比。它們就像裝有製作博洛尼亞大紅腸所需的所有食材的小鍋,且食材的比例是符合菜譜要求的最初的比例。所以,這些隕石就是46億年前太陽系誕生之初,原行星盤中旋轉的塵埃的縮影。

根據目前的行星形成模型,如果形成天體的物質只是單純地被混合在一起,那麼地球地幔中鐵的含量應當和所有不同種類隕石加在一起的鐵的含量相同,這意味著地球地幔中鐵-54的含量應該更高。

事實上,我們星球的成分僅與 CI 塵埃相似的事實證明了其他行星形成模型的存在。研究人員認為,地球的鐵地核不是通過行星吸積岩石形成的,而是通過宇宙塵埃雨形成的,上述過程比吸引、累積大岩石以形成地核的過程更快。在此過程中,鐵核的形成吞噬了早期的鐵。

然後,隨著太陽系逐漸降溫,在最初的幾十萬年後,距離更遠的 CI 塵埃得以向內遷移,到達地球正在形成的地方。它灑遍了地球,基本上覆蓋了地幔中的任何鐵。

因為原行星盤的活動和大量 CI 塵埃落在地球上的過程只持續了大約 500 萬年,因此研究人員得出結論,地球一定是在這個時間範圍內形成的。

哥本哈根大學的行星地質學家馬丁·席勒解釋稱:「這種情況只有在把前期積累的大部分鐵移入地核的情況下才有可能發生,因此只有後來的 CI 塵埃覆蓋了地幔中的鐵成分這種說法才能成立」。

「這也說明了為什麼地核一定在早期就形成了。」

如果地球就是按照這個「宇宙塵埃」吸積模型形成的,那麼這項研究也意味著宇宙中其他地方的其他行星也可能是這樣形成的。

這不僅拓寬了我們對行星形成的理解,而且可能影響我們對宇宙中生命的理解。可能這種行星形成機制是一種先決條件,它對生命的誕生有積極影響。

哥本哈根大學的宇宙化學家馬丁·比扎羅說:「現在我們知道,行星的形成無處不在。我們有說得通的通用的行星形成機制,它們能造出行星系統。當我們在自己的太陽系中理解了這些機制時,我們可能會對銀河系中的其他行星系統做出類似的推論。這包括水是在何時、用了多久積累出來的」。

「如果早期行星吸積理論真的正確,那麼水可能只地球這樣的行星形成時的副產品。那麼,我們也更有可能在宇宙的其他地方找到形成生命的成分。」

本研究由《科學進步》發表。

BY: MICHELLE STARR

FY: 憶染

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