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行星的大气除了自身产生外,还有一部分来自陨石

在对类似于地球的岩石行星的初始大气进行的实验室研究中,加州大学圣克鲁斯分校的研究人员在高温炉中加热了原始陨石样品,并分析了所释放的气体。

行星的大气除了自身产生外,还有一部分来自陨石

上图:岩石行星的早期大气被认为主要由行星表面释放的气体形成,这是由于行星积木积聚过程中的强烈热量以及行星演化早期的火山活动所致。

他们的结果发表在4月15日的《自然天文学》上,表明地球行星的初始大气可能与行星大气理论模型中使用的许多常见假设有很大的不同。

加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学专业的第一作者玛吉·汤普森说:“当我们开始能够使用新型望远镜和先进仪器观测系外行星大气时,这些信息将非常重要。”

行星的大气除了自身产生外,还有一部分来自陨石

岩石行星的早期大气被认为主要由行星表面释放的气体形成,这是由于行星积聚过程中的热量以及行星发展早期的火山活动所致。

“当行星的各个组成部分汇聚在一起时,物质被加热并产生气体,如果行星足够大,气体将被保留为大气层,”合著者之一,加州大学圣克鲁斯分校的地球与行星科学副教授米里亚姆·特鲁斯(Myriam Telus)解释说,“我们正在尝试在实验室中模拟行星大气形成时的这一非常早期的过程,以便我们可以对该故事进行一些实验性约束。”

行星的大气除了自身产生外,还有一部分来自陨石

研究人员分析了三种名为CM型碳质球粒陨石的陨石,其组成被认为代表了太阳和行星形成的物质。

“这些陨石是从构成我们太阳系中的行星的构成物质中遗留下来的。” 汤普森说,“尖晶石与其他类型的陨石的不同之处在于,它们的温度不足以使其熔化,因此它们保留了一些较原始的成分,这些成分可以告诉我们有关行星形成时太阳系的组成的信息。”

行星的大气除了自身产生外,还有一部分来自陨石

研究人员与物理部门的材料科学家合作,建立了连接质谱仪和真空系统的熔炉,将陨石样品加热到1200摄氏度时,系统分析了样品中矿物产生的挥发性气体。水蒸气是主要气体,其中含有大量的一氧化碳和二氧化碳,还释放出少量的氢气和硫化氢气体。

根据特鲁斯的说法,行星大气模型通常假设太阳丰度,即与太阳相似的成分,因此以氢和氦为主。

“基于陨石的气,您会期望水蒸气是主要气体,其次是一氧化碳和二氧化碳。” 她说, “使用太阳丰度对于从太阳星云获取大气的类木星大小行星是合适的,但是较小的行星被认为可以通过从行星内部向大气放出气态物质来获得更多的大气层。”

研究人员将他们的结果与基于陨石组成的化学平衡模型的预测结果进行了比较。“从质量上讲,我们得到的结果与化学平衡模型预测的结果应该差不多,但是也存在一些差异。” 汤普森说,“您需要进行实验以了解实际发生的情况。我们希望对各种各样的陨石都这样做,以为系外行星大气的理论模型提供更好的约束。”

行星的大气除了自身产生外,还有一部分来自陨石

其他研究人员已经使用陨石进行了加热实验,但是这些研究是出于其他目的,并使用了不同的方法。汤普森说:“许多人对陨石进入地球大气层时会发生什么感兴趣,因此,在进行这种研究时并没有考虑到这种结构来理解从行星内部向大气放出气态物质。”

为这项研究分析的三颗陨石是默奇森陨石,该陨石于1969年在澳大利亚落下。2013年在西撒哈发现了拉吉比莱特·温瑟尔万(Jbilet Winselwan)陨石;阿瓜斯·扎尔卡斯(Aguas Zarcas)陨石于2019年在哥斯达黎加被发现。

行星的大气除了自身产生外,还有一部分来自陨石

特鲁斯指出:“使用太阳系中的陨石来了解其他恒星周围的系外行星似乎很武断,但是对其他恒星的研究发现,这种类型的物质实际上在其他恒星周围很常见。”

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