地球和火星是由太陽系內部物質形成

地球和火星是由主要起源於太陽系內部的物質形成。這兩顆行星的組成部分中只有百分之幾來自木星軌道之外。由德國明斯特大學（University of Münster）領導的一組研究人員對地球、火星和來自太陽系內外的原始物質的同位素組成進行了至今為止最全面的比較。其中一些物質今天仍然在隕石中基本未改變。這項研究的結果對我們理解形成水星、金星、地球和火星的過程產生深遠的影響。假設四顆岩石行星通過積累來自外太陽系的毫米大小的塵埃卵石而長到現在的大小的理論是站不住腳。

大約四十六億年前，在我們太陽系的早期，一個塵埃和氣體盤繞著年輕的太陽運行。有兩種理論描述了在數百萬年的過程中，內部岩石行星是如何由這種原始物質形成。根據較舊的理論，太陽系內部的塵埃聚集成越來越大的塊，逐漸達到與我們的月球大小相近的大小。這些行星胚胎的碰撞最終產生內行星水星、金星、地球和火星。然而，一個較新的理論更喜歡不同的生長過程：毫米大小的塵埃、鵝卵石從外太陽系向太陽遷移。在途中，它們吸積到內太陽系的行星胚胎上，並一步一步將它們放大到現在的大小。

這兩種理論都基於重建早期太陽系條件和動力學的理論模型和電腦模擬；兩者都描述了行星形成的可能路徑。但那一個是對的？實際發生了那個過程？為了在他們目前的研究中回答這些問題，來自德國明斯特大學、法國蔚藍海岸天文台（Observatoire de la Cote d ʻ Azur）、美國加州理工學院、德國柏林自然歷史博物館和德國柏林自由大學確定岩石行星地球和火星的確切組成。

明斯特大學的基斯托夫·伯克（Christoph Burkhardt）博士表示，我們想知道這些物質是否地球和火星起源於外太陽系或內太陽系。為此，稀有金屬鈦、鋯和鉬的同位素在微量元素中發現兩顆行星的含有豐富的矽酸鹽外層提供了重要線索。同位素是同一元素的不同變種，它們的區別僅在於原子核的重量。

科學家假設在早期的太陽系中，這些和其它金屬同位素的分佈並不均勻。相反，它們的豐富程度取決於與太陽的距離。因此，它們掌握著有關某個天體起源於早期太陽系何處的寶貴資料。

地球可接近的外岩層和兩種隕石的精確同位素組成已經研究了一段時間；然而，還沒有對火星岩石進行比較全面的分析。在他們目前的研究中，研究人員現在檢查了總共十七塊火星隕石的樣本，這些隕石可以歸為六種典型的火星岩石。此外，科學家首次研究三種不同金屬同位素的豐富程度。

火星隕石的樣品首先磨成粉末並進行複雜的化學預處理。使用明斯特大學行星學研究所的多收集器等離子體質譜儀，研究人員隨後能夠檢測到微量的鈦、鋯和鉬同位素。然後，他們進行電腦模擬，計算今天在碳質和非碳質球粒隕石中發現的物質必須與地球和火星結合的比例，以重現它們測量的成分。過程中，他們考慮兩個不同的吸積階段，以分別解釋鈦和鋯同位素以及鉬同位素的不同歷史。與鈦和鋯不同，鉬主要積聚在金屬行星核中。

研究人員的結果發現，地球和火星的外岩層與外太陽系的碳質球粒隕石幾乎沒有共同之處。它們僅佔兩顆行星原始構建塊的4%左右。如果早期的地球和火星主要是從外太陽系吸積塵埃顆粒，這個值應該高出近十倍，因此，無法證實這種內行星形成的理論。

但是地球和火星的成分也不完全符合非碳質球粒隕石的材料。電腦模擬顯示，另一種不同類型的物質也一定在起作用。根據我們的電腦模擬推斷，第三類物質的同位素組成意味著它一定起源於太陽系的最內部區域。由於距離太陽如此近的物體幾乎從未散佈到小行星帶中，因此這種物質幾乎完全被內行星吸收，不會出現在隕石中。可以說，這是我們今天無法直接獲取的丟失的原始物質。

這個令人驚訝的發現並沒有改變行星形成理論研究的結果。地球和火星顯然包含主要來自太陽系內部配合材料以及與來自太陽系內部大機構的碰撞行星形成事實上的系統。

【圖：美國太空總署；文：節譯自德國明斯特大學2021年12月22日新聞公佈】研究全文刊登在2021年12月22日出版的《科學進展》期刊 標題是：Terrestrial planet formation from lost inner solar system material