同位素研究顯示火星宜居性受到它的大小限制

水對地球和其它行星上的生命至關重要，科學家在火星的早期歷史中發現大量存在水的證據。但是今天的火星表面沒有液態水。美國聖路易斯華盛頓大學的一項新研究提出一個根本原因，就是火星可能太小而無法保存大量的水。

對可追溯到1980年代的火星隕石的遙感研究和分析顯示，與地球相比，火星曾經擁有大量的水。美國太空總署的維京（Viking） 太空船以及最近在火星上的好奇號和毅力號火星車傳送回河谷和洪水為標誌的火星景觀的照片。

儘管有這些證據，但沒有液態水留在地表。研究人員提出許多可能的解釋，包括火星磁場減弱可能導致原來的大氣層消失。

華盛頓大學藝術與科學學院地球與行星科學助理教授王崑說：「火星的命運從一開始就決定，因為岩石行星的尺寸要求可能存在一個最小的限制值，以保留足夠的水以實現宜居性和板塊構造，但所需要的質量超過火星。」

在這項新研究中，王崑研究團隊使用鉀元素的穩定同位素來估計不同行星體上揮發性元素的存在、分佈和豐度。

鉀是一種中等揮發性元素，但科學家決定將它用作一種更易揮發元素和化合物（例如：水）的示蹤劑。這是一種相對較新的方法，與之前使用通過遙感和化學分析收集的鉀與釷（thorium）比率來確定火星曾經擁有的揮發物數量的嘗試不同。在此前的研究中，研究組成員使用鉀示蹤法研究月球的形成。

王崑團隊測量了二十顆先前確認的火星隕石的鉀同位素組成，這些隕石選為代表火星的整體矽酸鹽成分。

使用這種方法，研究人員確定火星在形成過程中失去了比地球更多的鉀和其它揮發物，但保留的這些揮發物比月球和灶神星多，這兩個天體比地球和火星小得多、乾燥得多。

華盛頓大學地球與行星科學研究教授卡塔琳娜·洛德斯（Katharina Lodders） 說：「分化行星中揮發性元素及化合物的豐度遠低於原始未分化隕石的原因一直是一個長期存在的問題。鉀同位素組成與行星重力的相關性的發現是一項新發現，對分化的行星何時以及如何接收和丟失揮發物具有重要的定量意義。」

黃崑表示，火星隕石是我們研究大塊火星化學成分的唯一樣本，這些火星隕石的年齡從幾億年到四十億年不等。它們記錄了火星的揮發性演化歷史。通過測量鉀等中等揮發性元素的同位素，我們可以推斷大塊行星的揮發性消耗程度並進行比較不同太陽系天體之間的差異。」

火星表面曾經存在液態水是無可爭辯，但火星上曾經有多少水，僅靠遙感和火星車研究很難量化。有很多關於火星大部分水含量的模型。在其中一些模型中，早期的火星甚至比地球還濕。但研究團隊不相信情況是這樣。

研究人員指出，這些發現對在火星以外的其它行星上尋找生命具有重要意義。離太陽太近（或者，對於系外行星，離它們的恆星太近）會影響行星體可以保留的揮發物數量。這種與恆星的距離測量通常計入恆星周圍宜居帶的指數。

瑞士伯爾尼大學（University of Bern）太空與宜居性中心的克勞斯·梅茲格（Klaus Mezger）說：「這項研究強調，行星的大小範圍非常有限，只有足夠多的水才能形成宜居的地表環境。這些結果將協助天文學家在其它恆星系統中尋找宜居系外行星。」

王崑認為，對於宜居帶內的行星，在考慮系外行星是否可以支持生命存在時，可能應該更加強常規考慮行星的大小。因為系外行星的大小是最容易確定的參數之一，基於大小和質量，我們現在知道系外行星是否是生命的候選者，因為揮發性保留的首要決定因素是大小。

【圖、文：節譯自美國聖路易斯華盛頓大學網頁】研究全文將會刊登在2021年9月28日出版的《2021年美國國家科學院院刊》 標題是：Potassium isotope composition of Mars reveals a mechanism of planetary volatile retention