同位素分析揭示现在的火星表面没有液态水的根本原因

遥感研究和可追溯到20世纪80年代的火星陨石分析认为，与地球相比，火星曾经富含水。美国宇航局（NASA）的维京号轨道飞行器–以及最近火星地面上的“好奇号”和“毅力号”探测器–传回了以河谷和洪流为标志的火星地貌的壮观图像。

尽管有这些证据，但表面上没有液态水。研究人员提出了许多可能的解释，包括火星磁场的减弱，这可能导致厚重的大气层的消失。

但是9月20日发表在《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，即今天的火星看起来与地球"蓝色大理石"截然不同。

“火星的命运从一开始就被决定了，”圣路易斯华盛顿大学文理学院地球和行星科学助理教授、该研究的资深作者王坤说。“在岩质行星保留足够的水以实现可居住性和板块构造的尺寸要求上，很可能有一个阈值，质量超过火星的质量。”

在这项新的研究中，王坤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的元素，但科学家们决定将其作为一种更易挥发的元素和化合物的示踪剂，如水。这是一种相对较新的方法，与之前利用遥感和化学分析收集的钾钍比来确定火星曾经拥有的挥发性物质数量的尝试不同。在以前的研究中，该研究小组的成员使用钾示踪法来研究月球的形成。

王坤和他的团队测量了20块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红色星球的大量硅酸盐组成。

利用这种方法，研究人员确定火星在形成过程中比地球损失了更多的钾和其他挥发性物质，但比月球和小行星4-Vesta保留了更多的这些挥发性物质，这两个小行星比地球和火星小得多，也更干燥。研究人员发现，在天体大小和钾的同位素组成之间有明确的关联。

"该研究的共同作者、华盛顿大学地球和行星科学研究教授Katharina Lodders说：“分化的行星中的挥发性元素及其化合物的丰度远远低于原始未分化的陨石的原因一直是一个长期的问题。发现K同位素组成与行星重力的相关性是一个新的发现，对分化的行星何时以及如何接收和失去它们的挥发性物质具有重要的定量意义。”

“火星陨石是我们唯一可以用来研究火星主体化学构成的样本，”王坤说。“那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变历史。通过测量中等挥发性元素的同位素，如钾，我们可以推断出散装行星的挥发性消耗程度，并在不同太阳系天体之间进行比较。”

“火星表面曾经有液态水是不争的事实，但是仅仅通过遥感和漫游车研究，火星曾经总共有多少水是难以量化的，”王坤说。“现在有许多关于火星大量水含量的模型。在其中一些模型中，早期的火星甚至比地球更湿。我们不相信是这样的情况。”

研究人员指出，这些发现对寻找火星以外的其他行星上的生命有影响。离太阳太近（或者，对于系外行星来说，离它们的恒星太近）会影响一个行星体可以保留的挥发性物质的数量。这种与恒星的距离测量通常被计入恒星周围"宜居区"的指数中。

该研究的共同作者、瑞士伯尔尼大学空间和宜居性中心的 Klaus Mezger 说：“这项研究强调，行星有一个非常有限的尺寸范围，可以有足够但不多的水来发展一个宜居的表面环境。这些结果将指导天文学家在其他太阳系中寻找可居住的系外行星。”

研究人员现在认为，对于处于宜居区的行星，在思考一颗系外行星是否可以支持生命时，行星的大小可能应该得到更多的强调和常规考虑。

研究人员称：“一颗系外行星的大小是最容易确定的参数之一。根据大小和质量，我们现在知道一颗系外行星是否是生命的候选者，因为决定挥发性保留的第一阶因素是大小。”