翻譯 阿金
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天文學家卡爾·薩根有句名言：我們都是星塵。而包括美國密歇根大學（University of Michigan）在內的兩個研究團隊分別發現，這可能比我們先前認為的更真實。
第一項研究來自密歇根大學的 Jie Li 團隊，發表在《科學進展》（Science Advances）期刊上。該研究表明，地球上的大部分碳很可能來自於星際物質，即存在於星系各恆星之間的太空物質。這很可能發生在原行星盤（protoplanetary disk）形成和升溫一段時間之後。原行星盤是塵埃和氣體形成的雲團，環繞我們年輕的太陽，其中蘊含著構成行星的基本成分 。
碳可能是在太陽誕生後一百萬年之內形成了固體物質，這意味著作為地球生命基石的碳元素跨越星際之旅，順利抵達我們的星球。
此前，科學家認為地球上的碳來自最初存在於星雲氣體中的分子，當氣體冷卻到足以沉積之時，被岩石行星吸收。Li的團隊成員包括密歇根大學的天文學家 Edwin Bergin、加州理工學院（California Institute of Technology）的 Geoffrey Blake、芝加哥大學（ University of Chicago）的 Fred Ciesla 和明尼蘇達大學（University of Minnesota）的 Marc Hirschmann，他們在研究中指出，攜帶碳的氣體分子無法參與地球的構建，因為一旦碳元素蒸發出去，就不會再凝聚形成固體。
“凝聚模型（condensation model）在過去幾十年中應用廣泛。該模型假設，太陽形成過程中，組成的所有行星元素得到蒸發，隨著原行星盤冷卻下來，一些氣體凝聚起來，為固態天體提供化學成分。但這模型不適用於碳元素。”Li 講道，她是密歇根大學地球和環境科學系教授。
許多碳以有機分子的形式進入星盤。然而，一旦碳元素蒸發，它就會形成揮發性強得多的物質，需要極低的溫度才能重新形成固體。更重要的是，碳元素不會再凝聚形成有機物形式。因此，Li 和團隊推測，地球上的大部分碳可能直接來自於星際物質，完全不經過蒸發過程。
為了更好理解地球如何獲得碳元素，Li 估算了地球的最高含碳量。為此，她比較了地震波穿過地核的速度和已知的地核內聲速。結果表明，碳元素佔據了不到 0。5% 的地球質量。理解地球碳含量的可能上限讓研究人員知道碳元素何時抵達地球。
“我們提出了一個與眾不同的問題：我們追問地核能容納多少碳，同時仍能與所有常數保持一致。”Bergin解釋說，“這裡有不確定因素。不過讓我們接受這一不確定性，尋找地球最深處碳含量的真正上限，結果會告訴我們身處的真實環境。”Bergin是密歇根大學天文系教授和系主任。
行星碳含量必須比例適中，才能維持生命存在。如果碳太多，地球大氣層就就會像金星一樣，來自太陽的熱量無法擴散到外界，讓行星溫度保持在 880 華氏度（約 471 攝氏度）左右。如果碳太少，地球就會像火星一樣成為一片不毛之地：無法支援基於水的生命存在，溫度保持在零下 60 華氏度（零下 51 攝氏度）。
第二項研究來自同一作者團隊，但由明尼蘇達大學地球和環境科學教授 Hirschmann 領導。研究人員調查了行星的小型前體——微行星（planetesimal）在早期形成過程中保留碳的同時如何處理碳。他們檢查了這些如今作為鐵隕石留存下來的天體內的金屬核心，發現在行星起源的關鍵時刻，隨著微行星的融化，大部分碳必定會流失，形成地核，並損失氣體。Hirschmann 表示，這顛覆了以前的理論。
“大部分模型認為，碳和水、氮等其他生命必需物質脫胎於星雲，進入原始岩石天體內，然後落入不斷成長的行星，例如地球或者火星。”Hirschmann 解釋說，“但這跳過了關鍵一步，微行星在被行星吸收之前已在這一步流失了大部分碳。”
Hirschmann 的研究近期發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）。
“行星需要碳來調節自身氣候，讓生命得以存在，但這其中有微妙的平衡。”Bergin 說，“你不想要碳過少，但也不需要太多。”
Bergin 表示，兩項研究都描述了碳流失的兩大不同方面，而碳流失似乎是將地球建設為宜居行星的核心。
“只有聯合像天文學和地球化學這樣的學科，才能幫忙回答宇宙其他地方是否存在類地球行星，”加州大學的地球物理科學教授 Ciesla 說道，“雖然不同領域的研究人員採用的方法、所要回答的專業問題不盡相同，但構建一段連貫的歷史要求首先確定共同感興趣的話題，找到方法彌合其中的知識鴻溝。這種做法很有挑戰，但這項工作也是鼓舞人心、回報豐厚的。”
加州理工的宇宙化學、行星科學和化學教授 Blake 是這兩項研究的合作者，他說這樣的跨學科研究很關鍵。
“僅僅就我們星系的歷史而言，圍繞類似太陽一樣的恆星形成像地球一樣或者更大一些的岩石行星，這一過程已經發生過數億次，”他說，“我們能不能擴充套件這項研究，在更大範圍內檢驗行星系統的碳損失問題呢？像這樣的研究將需要集結更多元的科學家。”
論文資訊 1
【論文題目】Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation
【論文作者】J。 Li， E。 A。 Bergin， G。 A。 Blake， F。 J。 Ciesle and M。 M。 Hirschmann
【發表時間】2021 年 4 月 2 日
【發表期刊】Science Advances
【論文編號】10。1126/sciadv。abd3632
【論文連結】https：//advances。sciencemag。org/content/7/14/eabd3632
【論文摘要】Carbon is an essential element for life， but its behavior during Earth’s accretion is not well understood。 Carbonaceous grains in meteoritic and cometary materials suggest that irreversible sublimation， and not condensation， governs carbon acquisition by terrestrial worlds。 Through astronomical observations and modeling， we show that the sublimation front of carbon carriers in the solar nebula， or the soot line， moved inward quickly so that carbon-rich ingredients would be available for accretion at 1 astronomical unit after the first million years。 On the other hand， geological constraints firmly establish a severe carbon deficit in Earth， requiring the destruction of inherited carbonaceous organics in the majority of its building blocks。 The carbon-poor nature of Earth thus implies carbon loss in its precursor material through sublimation within the first million years。
論文資訊 2
【論文題目】Early volatile depletion on planetesimals inferred from C–S systematics of iron meteorite parent bodies
【論文作者】Marc M。 Hirschmann， Edwin A。 Bergin， Geoff A。 Blake， Fred J。 Ciesla， and Jie Li
【發表時間】March 30， 2021
【發表期刊】Proceedings of the National Academy of Sciences
【論文編號】10。1073/pnas。2026779118
【論文連結】https：//www。pnas。org/content/118/13/e2026779118
【論文摘要】During the formation of terrestrial planets， volatile loss may occur through nebular processing， planetesimal differentiation， and planetary accretion。 We investigate iron meteorites as an archive of volatile loss during planetesimal processing。 The carbon contents of the parent bodies of magmatic iron meteorites are reconstructed by thermodynamic modeling。 Calculated solid/molten alloy partitioning of C increases greatly with liquid S concentration， and inferred parent body C concentrations range from 0。0004 to 0。11 wt%。 Parent bodies fall into two compositional clusters characterized by cores with medium and low C/S。 Both of these require significant planetesimal degassing， as metamorphic devolatilization on chondrite-like precursors is insufficient to account for their C depletions。 Planetesimal core formation models， ranging from closed-system extraction to degassing of a wholly molten body， show that significant open-system silicate melting and volatile loss are required to match medium and low C/S parent body core compositions。 Greater depletion in C relative to S is the hallmark of silicate degassing， indicating that parent body core compositions record processes that affect composite silicate/iron planetesimals。 Degassing of bare cores stripped of their silicate mantles would deplete S with negligible C loss and could not account for inferred parent body core compositions。 Devolatilization during small-body differentiation is thus a key process in shaping the volatile inventory of terrestrial planets derived from planetesimals and planetary embryos。
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