生命的要素取決於行星的形成方式和地點
在過去的幾十年里，人類在太陽系之外發現的行星數量已經增長到數千顆。目前，已在3260個系統中確認了4389顆系外行星，還有5941顆候選行星正在等待確認。通過大量的後續觀察和研究，科學家們已經對我們宇宙中存在的行星類型、行星如何形成以及它們如何演化有了大量的了解。
所有這一切的一個關鍵考慮因素是，隨著時間的推移，行星會如何變得（並保持）適宜居住。一般來說，天體生物學家的工作是基於這樣的假設，即宜居性取決於行星在系統內的軌道位置 —— 在其母恆星的宜居帶（HZ）內。然而，來自萊斯大學的一個團隊的新研究表明，行星在其各自的恆星系統中形成的位置可能同樣重要。
這項研究最近發表在《自然地球科學》(Nature Geoscience)上，由賴斯大學的科學家團隊完成。他們深入研究了恆星的適居帶以外的因素，以考慮行星形成的相關因素將如何最終影響其宜居性。
上圖：萊斯大學科學家的一項研究表明，恆星系統中行星形成的位置將對其宜居性起到至關重要的作用。
基本上，恆星的HZ（宜居帶）指的是繞軌道運行的行星將經歷足夠溫暖的條件，以支持其表面的液態水和豐富的大氣 —— 這是生命的關鍵成分。但是，在考慮了構成行星的元素之後，科學家們得出結論，一個行星在形成過程中捕獲和保留的揮發性元素的數量，也將決定它是否適合居住。
其核心是，物質從環繞太陽的圓盤吸積成原行星所需的時間，以及原行星分化成不同的層（金屬內核、硅酸鹽地幔和地殼以及大氣包裹層）所需的時間。這兩個過程之間的平衡，對於決定岩質行星將保留哪些可產生生命的揮發性元素至關重要，尤其是氮、碳和水。
利用萊斯大學的高壓實驗室，研究小組使用氮作為揮發物的替代品，並模擬了原生行星是如何經歷分化的。他們發現，在這個過程中，原行星中的大部分氮從地幔中流失並逃逸到大氣中。從那裡，隨著原行星在下一階段的生長過程中冷卻或與其他天體相撞，氮氣就會流失到太空中。
然而，如果金屬內核保留了足夠的氮，那麼它仍然具有足夠的重要性。隨著時間的推移，它將有助於稍後形成「類似地球」的大氣層（在那裡它將作為緩衝氣體發揮重要作用）。由此，研究人員能夠建立熱力學模型，以及它如何影響氮在原行星大氣層、熔融硅層和內核之間的分布。
上圖：藝術家對不同類型恆星的宜居帶範圍的描繪。
主持此項研究的科學家在萊斯大學的新聞聲明中解釋說：
「我們通過將含氮金屬和硅酸鹽粉末的混合物置於近3萬倍的大氣壓下，並將它們加熱到熔點以上，來模擬高壓—高溫條件。在回收的樣品中，嵌在硅酸鹽玻璃中的小金屬斑點分別是原行星的內核和地幔類似物。」
「我們意識到，所有這些儲層之間的氮氣分餾對原星體的大小非常敏感。利用這個想法，我們可以計算出氮是如何隨著時間的推移在原行星體的不同儲層之間分離，最終形成一個像地球一樣的宜居行星的。」
自然，這項研究對我們理解45億多年前地球是如何形成的具有重要意義。從他們的研究結果來看，來自原行星盤的物質似乎快速增長，在它完成分化過程並呈現出目前的金屬核、硅酸鹽地幔/地殼和氣體包層排列之前，形成了月球或火星大小的行星胚胎。
對於整個太陽系，科學家們估計行星胚胎是在太陽之後100-200萬年內形成的，剩下的星雲物質形成了圍繞太陽的圓盤 —— 這比之前認為的要早得多。如果這些胚胎的分化速度快於胚胎的生長速度，那麼這些岩石行星都不會積累到足夠的揮發物，地球也就不會形成生命所必需的條件。
上圖：藝術家的概念是原始地球和忒伊亞（太陽系中曾經的一顆行星）之間的碰撞，被認為發生在45億年前。
研究團隊中的另一位科學家，同時還是CLEVER行星項目的首席研究員。CLEVER行星項目項目（由美國宇航局資助）致力於探索生命所必需的元素是如何在整個宇宙的岩石行星上聚集在一起的。該科學家總結道：
「我們的計算表明，通過行星胚胎形成地球大小的行星，這些胚胎在經歷金屬—硅酸鹽分化之前生長得非常快，為滿足地球的氮預算提供了一條獨特的途徑。這項研究表明，氮對形成核心的金屬液體的親和力，比以前認為的要大得多。」
這項最新研究是建立在科學家們之前的發現基礎上的，比如2019年的一項研究表明，地球上的揮發性物質中有多少可能是月球形成的撞擊的結果。還有2021年發表的一項研究表明，地球從太陽系當地來源獲得的氮比之前認為的要多。生長在太陽系內外的原行星都吸收了氮，地球則通過吸收這兩個地區的原行星來吸收了氮，然而，我們不知道地球的氮平衡是如何建立起來的。
綜上所述，這些發現可能對未來研究行星系統如何形成、進化並最終發展出維持生命的能力具有重要意義。在未來的幾年裡，探索太陽系中最古老的天體（近地天體、主帶天體和特洛伊/希臘小行星）的機器人任務可能會為了解太陽系的早期歷史提供更多的信息 —— 那是一個孕育生命元素的種子在地球和其他行星上播種的時期。
如果朋友們喜歡，敬請關注「知新了了」！
