同位素研究证明：火星宜居性受其小尺寸限制

水对地球和其他行星上的生命至关重要，科学家们已经在火星的早期历史中发现了大量存在水的证据。但是今天的火星表面没有液态水。圣路易斯华盛顿大学的一项新研究提出了一个根本原因：火星可能太小而无法容纳大量的水。

对可追溯到 1980 年代的火星陨石的遥感研究和分析表明，与地球相比，火星曾经富含水。美国宇航局的维京轨道飞行器——以及最近在地面上的好奇号和毅力号探测器——返回了以河谷和洪水渠道为标志的火星景观的戏剧性图像。

尽管有这些证据，但没有液态水留在地表。研究人员提出了许多可能的解释，包括火星磁场减弱可能导致厚大气层消失。

但 9 月 20 日那一周发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究提出了一个更根本的原因，为什么今天的火星看起来与地球的“蓝色大理石”截然不同。

“火星的命运从一开始就决定了，”该研究的资深作者、华盛顿大学艺术与科学学院地球与行星科学助理教授王昆说。 “岩石行星的尺寸要求可能存在一个阈值，以保留足够的水以实现宜居性和板块构造，其质量超过火星。”

在这项新研究中，王和他的合作者使用元素钾 (K) 的稳定同位素来估计不同行星体上挥发性元素的存在、分布和丰度。

钾是一种中等挥发性元素，但科学家们决定将其用作一种更易挥发元素和化合物（如水）的示踪剂。这是一种相对较新的方法，与之前使用通过遥感和化学分析收集的钾与钍 (Th) 比率来确定火星曾经拥有的挥发物数量的尝试不同。在之前的研究中，研究组成员使用钾示踪法研究月球的形成。

王和他的团队测量了 20 颗先前确认的火星陨石的钾同位素组成，这些陨石被选为代表这颗红色星球的整体硅酸盐成分。

使用这种方法，研究人员确定火星在其形成过程中失去了比地球更多的钾和其他挥发物，但保留的这些挥发物比月球和小行星 4-灶神星多，这两个天体比地球和火星小得多、干燥得多。

研究人员发现身体大小和钾同位素组成之间存在明确的相关性。

该研究的合著者、华盛顿大学地球与行星科学研究教授 Katharina Lodders 说：“分化行星中挥发性元素及其化合物的丰度远低于原始未分化陨石的原因一直是一个长期存在的问题。” “K 同位素组成与行星引力的相关性的发现是一项新发现，对分化的行星何时以及如何接收和丢失其挥发物具有重要的定量意义。”

“火星陨石是我们研究大块火星化学成分的唯一样本，”王说。 “这些火星陨石的年龄从几亿年到40亿年不等，记录了火星的挥发性演化历史。通过测量钾等中等挥发性元素的同位素，我们可以推断大块行星的挥发性消耗程度并进行比较不同太阳系天体之间。

“火星表面曾经存在液态水是无可争辩的，但火星上曾经有多少水，仅靠遥感和火星车研究很难量化，”王说。 “有很多关于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还湿。我们不相信情况是这样。”

Wang实验室的研究生、麦克唐纳国际学院学者田震是该论文的第一作者。博士后研究助理 Piers Koefoed 和 Hannah Bloom 是合著者，他于 2020 年毕业于华盛顿大学。 Wang 和 Lodders 是该大学麦克唐纳空间科学中心的教员。

研究人员指出，这些发现对在火星以外的其他行星上寻找生命具有重要意义。

离太阳太近（或者，对于系外行星，离它们的恒星太近）会影响行星体可以保留的挥发物数量。这种与恒星的距离测量通常被计入恒星周围“宜居带”的指数。

太空中心的克劳斯·梅兹格（Klaus Mezger）说：“这项研究强调，行星的大小范围非常有限，只有足够多的水才能形成宜居的地表环境。”