放射性元素可能对岩质行星的宜居性至关重要

放射性元素可能对岩质行星的宜居性至关重要

美国加州大学圣克鲁斯分校的一个跨学科科学家团队的一项新研究发现，在一颗岩石行星形成的过程中，融入该行星的长寿命放射性元素的数量可能是决定其未来可居住性的关键因素。

这是因为重元素钍和铀的放射性衰变产生的内部热量推动了板块构造，可能是行星产生磁场的必要条件。地球的磁场可以保护地球免受太阳风和宇宙射线的影响。

地球熔融金属核心的对流产生了“地球发电机”，从而产生了地球的磁场。根据加州大学圣克鲁兹分校地球和行星科学教授、新发现论文的第一作者弗朗西斯·尼莫的说法，地球的放射性元素供应提供了足够多的内部加热，以产生持久的“地球发电机”。

尼莫说：'我们意识到，不同的行星积累了不同数量的这些放射性元素，最终为地质活动和磁场提供动力，因此，我们采用了一个地球模型，并将内部辐射热的产生量上下调整，看看会发生什么。'

他们发现，如果辐射热比地球的更多，这个星球就不能像地球那样永久地维持一个发电机。之所以会发生这种情况，是因为大部分的钍和铀最终都在地幔中，而地幔中过多的热量就像一个绝缘体一样，使熔融的内核无法快速失去热量，无法产生产生磁场的对流运动。

放射性内部加热多了，星球上的火山活动也就多了，可能会产生频繁的大灭绝事件。另一方面，辐射热太少，则会导致没有火山活动，星球会在地质上 '死亡'。

岩石星球的三个版本：中间的行星类似地球，有板块构造和产生磁场的内部发电机

根据天文学和天体物理学教授娜塔莉·巴塔莉的说法，行星发电机已经以多种方式与宜居性联系在一起。她解释说：'长期以来，人们一直在推测内部加热驱动板块构造，从而产生碳循环和火山活动等地质活动，从而产生大气层，而保留大气层的能力与磁场有关，磁场也是由内部加热驱动的。'

共同作者、物理学荣誉教授乔尔·普里马克解释说，恒星风是指从恒星喷出的快速流动的物质流，如果行星没有磁场，那么恒星风会稳定地侵蚀行星的大气层。他说：'缺乏磁场显然是一部分原因，以火星为例，它的大气层非常薄，加上它的重力较低。火星以前的大气层比较厚，有一段时间它还有地表水。没有了磁场的保护，更多的辐射会通过，星球表面也变得不那么适合居住。'

普里马克指出，对辐射加热至关重要的重元素是在中子星的合并过程中产生的，这是极罕见的事件。他说：'我们预计这些元素融入恒星和行星的数量会有相当大的变异性，因为这取决于形成它们的物质与银河系中这些罕见事件发生的地方有多近。'

天文学家可以利用光谱学来测量恒星中不同元素的丰度，而行星的成分预计与它们所运行的恒星相似。在恒星光谱中很容易观察到的稀土元素铕，是由制造钍和铀这两种寿命最长的放射性元素的相同过程产生的，因此铕可以作为一种示踪剂来研究银河系的恒星和行星中这些元素的变化。

天文学家已经对银河系附近的许多恒星进行了铕测量。尼莫教授利用这些测量结果建立一个自然范围的输入，用于他的辐射热模型。太阳的成分就在这个范围的中间。根据普里马克的说法，许多恒星的铕与镁相比，只有太阳的一半，许多恒星的铕比太阳多2倍。

巴塔莉说，辐射加热的重要性和可变性为天体生物学家提出了许多新问题。她说：'这是一个复杂的故事，因为两个极端都对宜居性有影响。你需要足够的辐射加热来维持板块构造，但不要太多，以至于你关闭了磁发电机。铀和钍的丰度似乎是关键因素。'

尼莫教授说，利用对其恒星的铕测量来确定具有不同数量的放射性元素的行星系统，天文学家可以开始寻找这些系统中行星之间的差异，特别是在部署詹姆斯·韦伯太空望远镜后。这种太空望远镜将成为表征系外行星大气的有力工具。

《天体物理学杂志通讯》刊登了这篇论文。