宇宙碰撞如何造就我们的宇宙

宇宙碰撞如何造就我们的宇宙
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在寻找太阳系以外生命的过程中,我们需要考虑行星运行的系统,包括陪伴它穿行宇宙的其他行星和各种碎片。

过去几十年来,我们对行星系统形成过程的认识发生了巨大转变。早期理论认为,行星形成是一个温和且相对平稳的过程;如今,一种新理论已经出现。

目前关于太阳系形成以及一般行星形成的最佳模型认为,形成过程的后期阶段充满暴力,并由灾难性的大型碰撞主导。

行星碰撞:稳定性与生命

在太阳系中,行星形成过程充满暴力的证据比比皆是。水星离太阳最近,是一个微小荒凉的世界,人们认为它是一颗曾经体积大一倍的行星被撞碎后留下的核心。

行星形成接近尾声时,这颗行星遭遇了一次 掠碰 ,地壳和地幔因此被剥离,只留下我们今天看到的破碎残骸。

地月系统是另一个巨型碰撞遗迹的例子,人们认为这次碰撞涉及 原地球和一颗火星大小的行星。

这次碰撞比涉及水星的那次温和一些,但仍剥去了地球的地幔和地壳,留下的一团碎片聚集起来形成了月球。

对火星的近期研究表明,其“半球分异”——一个半球是高地,另一个是低地——可能是一次撞击的结果,这次撞击 几乎将这颗行星撞碎,留下了一个横跨整个半球的陨石坑。

天王星奇特的自转轴相对太阳系其他部分倾斜了90度, 或许是另一个例子 ; 金星缓慢的自转也可能如此。

大型碰撞显然是行星形成过程不可或缺的一部分,但太阳系中的这类碰撞在太阳系形成的极早期便已停止。其他行星系统 或许就没这么幸运。

不过,类地行星之间发生的大型碰撞可能带来意想不到的益处。

大型碰撞与大型卫星

我们的月球在太阳系中十分特别——相对于其宿主天体而言,它大得多,远超其他行星的任何卫星;这一切都源于它是在一次大型碰撞中形成的。

我们所见的其他卫星中,只有那些相对于宿主天体而言大小可与月球匹敌的卫星,围绕着更小的天体运行,位于海王星轨道以外区域。

这类系统中最著名的例子位于 矮行星冥王星周围。冥王星最大的卫星卡戎,大小约为其宿主的六分之一。与地月系统一样,人们认为冥王星系统以及太阳系深处的其他系统,都是 大型撞击的结果。

大型撞击有时会在一个原本普通的天体周围孕育出一颗巨型卫星,这一点与我们的故事有关,因为月球的存在曾被认为是促成地球宜居性的一个因素。

从有人声称月球能稳定地球自转轴、抵御混沌偏移,到年轻卫星驱动地球上广阔潮间带、可能为生命起源提供条件,月球经常出现在关于 地球宜居性的讨论中。

但近期研究似乎表明,月球的存在对生命而言或许不像我们过去认为的那样关键。事实上,如果月球再稍大一些,地球可能反而会 远不那么宜居。

综合来看,这表明一颗大型卫星的存在至多可视为某颗行星的一点小优势。鉴于月球真正影响的不确定性,某颗系外地球没有这样的卫星,并不足以成为忽略该目标的理由。

撞击与水的起源

需要指出的是,并非所有撞击都有害。我们目前最好的行星形成模型表明,地球形成时理应 干燥荒芜 ——我们离太阳太近,原行星星云中的水无法冻结并形成冰。

年轻地球通过含水硅酸盐岩石获得的水量很少;地球的大部分水必定来自更远处。地球年轻时遭受小行星和彗星的猛烈撞击,这些撞击 带来了水 ,而水对我们所知的生命至关重要。

形成月球的那次碰撞实际上让问题更加严重。那次大型撞击发生在原地球已完成分异之后——最重的元素(如铁和镍)已经沉降到地核。这意味着,碰撞剥离的地幔和地壳当时也会含有地球上的大部分水。

如果月球形成后没有发生小行星和彗星撞击,地球很可能会干燥而毫无生机。但撞击是随机、偶然发生的——从向其中任何类地世界输送挥发物的角度来看,有些行星系统的结构并不理想。

另一方面,对“热木星”形成和演化的研究——这类行星像木星,却比水星绕太阳运行得更靠近宿主恒星——表明,这些行星向内迁移时可能会带来大量挥发物。

在这些模型中,大量水被输送到这些系统的内侧,以至于形成的任何类地行星都会成为水世界,浸没在深达数百千米的海洋之下。

这类世界或许充满生命,但生命迹象不太可能容易探测到。事实上,如果没有大陆,海洋可能几乎完全没有生命,唯一的营养来源就是海底火山。

如果这类水世界上确实存在生命,它可能深埋在海洋中,任何生命迹象都极难探测,尤其是从数十或数百光年之外观测时。因此,海洋世界很可能并非在搜寻地外生命初期阶段的理想目标。

不过,还有更多……

宜居性的故事错综复杂,可以肯定的是,对于某颗行星运行所在系统的影响,我们才刚刚触及表面。

未来无疑会揭示更多评估某个行星系统是否适宜孕育生命时必须考虑的因素——正如我们观测这些行星所围绕的恒星时所面临的情况一样。

事实上,这正是科学的乐趣之一。我们每学到一件新事物,就会开启十几个亟待解答的新问题。

本文与 The Conversation合作发表。发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中观点。

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作者:Jonti Horner,南昆士兰大学副校长高级研究员。Belinda Nicholson,南昆士兰大学博士候选人。Brad Carter,南昆士兰大学物理学副教授。

图片:这幅艺术家绘图于2008年9月19日发布,展示了白羊座中的一次行星碰撞。路透社/Lynette R. Cook/UCLA/供图

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