同屬太陽系，為何地球上的鐵豐度，與其他天體顯著不同？

既不同，這為何會改寫地球起源模型？又如何改寫？

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幾倍。

地球形成的時間比太陽誕生的時間要晚一些。然而，人們以前可能一直嚴重高估了這段時間的長度。

地球是由物質相互吸引而結合形成的。根據2020年2月人們進行的一次演算分析，大部分這些物質只花了500萬年就結合起來了——比此前估測的時間要短好幾倍。

圖解：想象中的原行星，即誕生之初的行星。圖源：原文。

人們據此修正了地球起源的模型。它同時也極大地促進了人們對行星形成過程的理解，因為它表明行星的起源機制比我們想象的更具多樣性——即使是同一類行星，比如同是類地行星的地球和火星<1>，其形成機制也可能大不相同。

你知道，我們並不能真的百分百地確定行星是如何形成的。盡管天文學家們能相當好地描述出行星形成的大致過程，但是他們無法確定其中的一些細節，因為缺乏相關的觀測結果，而這些東西本身就很難被觀測到。

圖解：火星圖像。圖源：sciencealert。

行星的起源與恒星形成的過程密切相關。恒星是由一團星雲在自身引力的作用下坍縮而形成的。當由氣體和塵埃組成的星雲的一部分坍縮的時候，它會開始旋轉，並帶動整個星雲一起旋轉，就像在排水孔周圍的水流一樣。

然後，星雲中所有的物質會形成一個扁平的圓盤，這個圓盤的大部分物質會被所形成的恒星吸收，剩下的物質則形成所謂的“原行星盤”，並在此後形成行星。這也是太陽系行星的軌道面都大致與黃道面重合的原因。

人們通常認為，行星的形成始於原行星盤中的一些細小的岩石或者灰塵由靜電作用導致的互相吸附。隨著吸附在一起的東西越來越多，整體的引力場也越來越強，於是就會吸引更多的物質，成為越來越大的一個團塊。然後，許多這樣的團塊互相吸引並撞在一起，最終形成一個大塊，這便赫然是一個完整的行星了。

圖解：月球圖像。圖源：sciencealert。

地球的形成也不例外。曾經人們認為地球的這個過程需要數千萬年的時間，但是根據來自丹麥哥本哈根大學的科學家們的一項對地幔中鐵元素的各同位素的分析，可能實際情況並非如此。

地球的化學組分似乎與其他太陽系內天體不太一樣。地球、月球<2>、火星甚至隕石，都蘊含著豐富的鐵元素，自然也包括鐵的各種同位素，如鐵-56與較輕的鐵-54。但是，月球、火星和大多數隕石含鐵的豐度值是大致相同的，只有地球含鐵-54的豐度值出奇地低<3>。

只有所謂的“CI型碳質球粒隕石”和地球的化學組分大致一樣。有趣的是，這種隕石的化學成分和整個太陽系的化學成分是差不多的。

圖解：鐵元素的兩種同位素。圖源：healthsciences。

想象一下，如果你已經搞到了制作波隆那肉醬的所有材料，並且把它們在一個大鍋子裏混合起來，那麼這就像後來演化為太陽系的那個原行星盤一樣。但是如果你把這些材料分裝在一堆更小的鍋裏面，且使每個小鍋裏各類材料的比例不同，那麼這些小鍋就像獨立的行星或者矮行星了。

CI型球粒隕石的特別之處在於，對應它們的鍋子超級小，並且裏面材料的組分比例和最開始大鍋中的組分比例是相等的。所以說，如果你手上有一塊這種隕石，那麼你就擁有了46億年前太陽系誕生之初那個原行星盤的縮影<4>。

圖解：小瓶裏裝的是CI型碳質球粒隕石的樣品，樣品是易碎的。圖源：healthsciences。

然而，按照之前的行星形成模型來計算的話，因為地球是由那些團塊結合而形成的，地幔中鐵元素的豐度應當是那些團塊的鐵元素豐度的均值，這大約等於當今各類隕石的鐵元素豐度的均值，而後者顯然具有比前者大得多的鐵-54豐度值。

地球僅僅和CI型碳質球粒隕石擁有類似的化學成分，這個事實表明原先的行星形成模型並非完全正確。因此研究人員認為，我們的鐵質地核可能不是由團塊結合形成的，而是由塵埃“雨”的不斷降落積聚形成的，畢竟後者吸附物質的平均速度比前者更快。在鐵質地核形成的時候，它把當時地球上幾乎所有的鐵元素都收納進去了。

圖解：通過逐步溶解實驗測定的鐵-54豐度數據。圖源：science。

此後，在太陽系形成數十萬年後，隨著太陽系天體的冷卻，CI型塵埃雲向太陽系內部遷移，覆蓋了地球的軌道。於是，地球吸附了大量CI型塵埃，這改變了地幔中鐵元素的豐度。

因為自原行星盤之形成開始，到這朵CI型塵埃雲在地球軌道附近的部分消散為止，中間只有大約500萬年的時間，所以研究人員推斷，地球就是在這五百萬年間形成的。

“這些新吸附的CI型塵埃改變了地幔中鐵元素的占比，這一定也是因為地球上的大多數鐵元素都轉移到地核裏面的緣故。”來自哥本哈根大學的行星地質學家馬丁·席勒（Martin Schiller）解釋道<5>。

圖解：馬丁·席勒助理教授。圖源：healthsciences。

“這也是我們推斷地核的形成時間必須相當早的原因。”

如果塵埃“雨”降落形成地核的模型是事實正確的，那麼有可能宇宙中其他地方的其他行星的形成過程也是這樣的。

這不僅加深了我們對行星形成過程的理解，而且還可能影響我們對宇宙中生命的產生過程的認識。因為照這種模式形成的行星很可能給生命產生提供了先決條件。

“現在我們已經知道宇宙無論何處都在形成行星。我們已經有一些通用的模型來對行星系統進行描述與演算分析了。等我們以太陽系行星為樣本來理清模型中的每個細節後，我們就可以將其推廣到銀河系中的其他行星系統上去，就可以弄明白行星會在哪個位置形成，弄明白行星形成之後會有多少水在上面。”來自哥本哈根大學的宇宙化學家馬丁·比紮羅（Martin Bizzarro）說道<6>。

圖解：馬丁·比紮羅教授正在展示不同類型的隕石。圖源：healthsciences。

“如果新模型真的是正確的，那麼在像地球這樣的行星形成的時候，水就像行星形成的副產品一樣。我們都知道水是生命之源，但是現在看來，它可能遍布宇宙的每一個角落。”

該研究的相關論文有被發表在《科學進步（Science Advances）》雜志上<7>。

BY: MICHELLE STARR

FY: 浪漫主義學派

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