打開地外生命研究的另一把鑰匙：放射性重元素

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編譯：雷豐圖

參考文章：https://phys.org/news/2020-11-radioactive-elements-crucial-habitability-rocky.html

校對：牧夫天文校對組

後臺：庫特莉亞芙卡、李子琦、徐⑨坤

根據加州大學聖克魯斯分校的一個跨學科科學家小組的一項新研究，當一顆巖石行星形成時，其內部所含的長周期放射性元素數量可能是決定其未來宜居性的一個關鍵因素。

因為由重元素釷和鈾的放射性衰變產生的熱能推動了板塊的運動，這可能是地球產生磁場的必要條件。而地球磁場使太陽風和宇宙射線所攜帶的高能粒子無法直接抵達地表，也就阻止了其對生命可能造成的危害。同為巖質行星，根據巖石樣本，火星的磁場39億年前就已消失。

迄今為止，最廣為人知的地磁場形成理論——「發電機」學說——認為在地球深處地核外存在著熔融金屬。這些具有導電性的液態金屬在流動的過程中產生龐大的電流，從而產生了地球的磁場。加州大學聖克魯斯分校地球和行星科學教授、該研究論文的主筆佛朗西斯·尼莫（Francis Nimmo）認為，地球的放射性元素為維持發電機效應提供了足夠多的熱能。該論文於11月10日發表在《天體物理學雜誌通訊》上。

地球的地核外被認為是由熔融態的鐵和鎳組成。這些液態金屬是導電的，流動的過程中會產生強大的電流，進而根據右手法則產生磁場。

Credit: Lumen Learning

尼莫解釋說："我們意識到不同的行星積累了不同數量的放射性元素，而這些元素最終會為地質活動和磁場提供動力。因此，我們採用了一個地球模型，並輸入不同的放射性物質所產生的熱能值，來模擬相應的結果。"

他們發現，如果該熱能值超過地球指標，則這個星球將不能像地球這樣永久地維持發電機效應。這是因為大部分釷和鈾最終都進入了地幔，而高溫的地幔會成為隔熱體，熔融金屬無法快速失去熱量，這阻止了磁場的對流運動。

另一後果則是更加頻繁的火山活動，這可能導致頻繁的大滅絕事件。相反，如果放射性熱能太少，則不會產生任何火山活動，地球在地質層面上就會成為一個 "死寂"的星球。

只需要這一個變量就可以通過模型體驗到不同世界。死寂的狀態，到類似地球的狀態，再到極度活躍但沒有磁場的狀態。這些發現值得我們做更詳細的研究。

假設地球深部是熱源（圖中的火），熔融態的鐵和鎳近乎液態（圖中的水）。在靠近地幔的液態金屬傳遞出熱量後，稍稍冷卻的液體會向內運動，而內部溫度較高的液體則會向外運動。這一循環構成了對流運動。而如果地幔的溫度太高（設想外面的室溫和火的溫度一樣高），則不會有顯著的對流運動。

Credit：Koolance

根據天文學和天體物理學教授娜塔莉·巴塔哈（Natalie Batalha）的說法，行星的「發電機」效應已經以多種方式與其宜居性聯繫在一起。她積極推動了關於這項研究的跨學科合作。

巴塔哈認為："長期以來，人們猜測地熱導致板塊運動，從而產生碳循環和火山活動等地質活動，再到大氣層的形成。並且，維持大氣層的能力也與磁場有關，而行星的磁場直接由地熱驅動。"

圖為上文提到的三種情況，過度火山化的地球，正常的地球，以及「死寂」的地球。

Credit: Melissa Weiss

已退休的物理學教授喬爾·普裡馬克（Joel Primack）是合著者之一，他補充了更多細節：「恆星風是指從恆星噴出的快速移動的粒子束。如果行星沒有磁場，它就會持續地侵蝕行星的大氣層。」

比如，火星的大氣層之所以如此稀薄，缺乏磁場顯然是一部分原因，再加上它的引力較低。它以前的大氣層可能比較厚，甚至有一段時間還有地表水。然而沒有了磁場的保護，更多的輻射會抵達行星表面，慢慢地火星的表面也變得不那麼宜居。

普裡馬克指出，對放射性熱能至關重要的重元素釷和鈾是在中子星合併過程中產生的，而中子星合併是一類極其罕見的事件。這些所謂的r過程元素在中子星合併過程中的產生機制也是該項目組的研究重點。

普裡馬克認為這些元素出現在恆星和行星的數量會有相當大的變數，因為這取決於它們與這些罕見事件發生的地方的遠近。

天文學家可以利用光譜分析來測量恆星中不同元素的豐度，並通過行星與其環繞恆星的成分相似性來預計該行星的構成。在恆星光譜中很容易觀察到的稀土元素銪，是類似與釷和鈾這兩種半衰期較長的放射性元素的同一過程產生的。因此銪可以作為線索來研究銀河系恆星和行星中這些重元素的變化。

太陽風，是指從太陽上層大氣射出的超聲速等離子體帶電粒子流。一次太陽風的輻射量對一個人來說很容易達到多次的X線檢查量。同時還會造成人體免疫力下降等危害。

Credit: NASA

天文學家已經對銀河系內附近的許多恆星進行了銪測量。因此，尼莫在他的地熱模型裡能夠利用這些測量結果做出預測。太陽的成分就在這個範圍的中間。根據普裡馬克的說法，許多恆星的銪與鎂之比只有太陽的一半，同時也有很多恆星的這一比例是太陽的兩倍。

這是一個複雜的故事，因為這兩個極端都對宜居性有影響。你需要足夠的地熱來維持板塊運動，但又不能多到使產生磁場的「發電機熄火」。

最終，我們正在尋找最有可能的生命棲息地。鈾和釷這樣重元素的豐度似乎就是關鍵因素。

利用對恆星的銪測量，天文學家便可以根據不同行星的放射性物質含量識別這些行星的特徵。特別是在韋伯空間望遠鏡投入使用後，它會是我們觀察系外行星大氣的重要工具。

責任編輯：毛明遠

牧夫新媒體編輯部

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