天文学家在烤箱中烹制外星大气层

45 亿年前地球的大气层是什么样的？这个问题很难回答。那时，地球几乎还不是一颗行星，更像是一堆翻腾的岩石。当生命最终出现时，它向各处喷洒氧气，不可逆转地改变了我们现在称为空气的气体混合物。

但随着对太阳系外行星（系外行星）的研究蓬勃发展，这个问题也变得越来越紧迫。目前的望远镜可以发现比我们更大、更热的行星周围的大气层，下一代望远镜很快就会把类地行星的模糊轮廓清晰地呈现出来。

为了弄清这些行星的成分、是否有水、甚至是否有生命，研究人员需要将气态轮廓与行星的本质——岩石和矿物——联系起来。

地球的天气、生命和板块构造已经将最初形成我们世界的物质重新循环利用，使之面目全非。但是，逃过金星、火星和地球混乱生成过程的原始残余物却以小行星的形式幸存下来。现在，一组研究人员粉碎、烘烤并分析了这些原始物质中的一些块状物，以捕捉无法通过其他方式收集的气体。

加州大学圣克鲁斯分校天体物理学家玛吉·汤普森说：“它们实际上是唯一可以拿在手中并在地球实验室中实际研究的直接样本，可以让我们了解早期地球或其他岩石行星的大气层可能是由什么构成的。”

如何营造氛围

对于木星和土星这样的气态巨行星来说，持久的大气层很容易形成。它们只需利用巨大的引力抓住周围的物质（通常是氢和氦）。

岩石类地行星会自行产生空气。这种世界是由数十至数百英里宽的巨型小行星组成的旋转云形成的。聚结的太空巨石相互碰撞，温度高达数千华氏度。烈焰将岩石中的冻结物质蒸发殆尽，这些气体成为行星的初始大气。

研究人员早就意识到，小行星作为地球形成物质的样本，是了解地球起源的关键。但它们距离遥远，难以到达，因此行星科学家转而研究进入太阳系内部并坠落到地球上的小行星的残骸：陨石。

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“它们真的就像是我们太阳系行星的剩余乐高积木，”汤普森说。“它们来到我们身边真是幸运。”

陨石疯狂

早期研究年轻地球大气成分的尝试都使用了模型。斯坦福大学行星科学家劳拉·谢弗 (Laura Schaefer) 于 2010 年领导了一项此类研究。她已经知道在被认为与行星形成有关的陨石中发现了哪些矿物质和元素。因此，她利用化学方法预测这些物质在加热时会释放的气体。

她发现，早期大气中主要由水和二氧化碳组成，还含有一些意想不到的气体，包括硫和碳。这是一个合理的结果，但前提是条件理想，材料纯净。

多年后，汤普森和她的导师米里亚姆·泰勒斯联系了谢弗。他们计划将这位斯坦福大学科学家的模拟结果变成现实，方法是将真正的陨石碎片放入烤箱烘烤，看看会释放出什么气体。

之前也有其他研究人员加热过陨石，但他们通常是为了解决其他问题而需要不同的实验技术。从来没有人利用太空岩石来模拟地球的原始大气。谢费尔参与了这项工作。

她说：“每个建模者都梦想有人能用真实数据测试他们的模型。”

用陨石烘焙

泰勒斯利用她在陨石界的人脉，从三颗陨石中获取了价值几葡萄干的材料，其中一颗陨石于 2019 年坠落地球，当时它撞破了哥斯达黎加一间狗舍的屋顶。

汤普森将陨石碎片磨碎，放入烤箱，将碎片置于与 45 亿年前的陨石粉末相似的环境中，如果它们参与了地球的形成。汤普森将碎片加热到近 2,200 华氏度（1,200 摄氏度），温度接近真空，压力比海平面低一亿倍。然后，一台用于寻找气体微量污染的灵敏仪器嗅探出碎片。

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热陨石粉末释放的原始大气中约 66% 是水蒸气，18% 是一氧化碳，15% 是二氧化碳，还有少量的氢气、硫化氢和少量其他气体。这与谢弗的预测基本一致，但也存在一些差异，比如含硫气体更多。“这是我们仍在研究的问题，”帮助分析结果的谢弗说。研究人员上周四在《自然天文学》杂志上公布了他们的研究结果。

圣克鲁斯小组仍有大约 80% 的陨石材料剩余，因此他们计划继续烘烤。接下来，他们希望微调气体传感器以寻找稀有气体（它一次只能嗅出十种气体）。他们还想尝试更换原料，用不同级别的陨石烘烤，看看这些岩石会产生什么样的大气。

从烤箱到星星

当詹姆斯·韦伯太空望远镜和下一代地面望远镜在未来十年内开始投入使用时，该团队自制的大气将帮助天文学家更好地了解他们所观察的东西。当望远镜传回原始数据描述从岩石行星（如 TRAPPIST 太阳系中的行星）的大气层到达地球的光时，研究人员将把这些观测结果与大气预测进行比较，看看哪种组合最合适。

汤普森的大气层将在其中。如果能进行强有力的匹配，我们就能知道大气层中有多少水和二氧化碳，以及那个太阳系的行星是否是由与我们相同的小行星形成的。

这项研究还为解释生物特征或生命迹象奠定了基础。地球上的生物彻底改变了我们的大气层。现在研究人员对岩石行星的大气层可能如何开始有了更好的了解，他们将更有准备地识别生命已经改变的大气层。

谢费尔说：“要了解生物特征，我们必须了解在没有生命的情况下，岩石行星的大气层的自然范围。”