火星上的碳元素從何而來？天文學家提出3種可能的解釋

美國宇航局的好奇號探測器（Curiosity）于2012年8月6日登陸火星，從那時起，它就在蓋爾隕坑（Gale Crater）漫游，并采集樣本，將結果送回國內供研究人員分析。研究人員對六個暴露位置（包括暴露的懸崖）采集的沉積物樣本中的碳同位素進行分析，對碳的來源得出了三種合理的解釋——宇宙塵埃、二氧化碳的紫外線降解，或生物產生的甲烷紫外線降解。

研究人員指出，這三種情況都是非常規的，與地球上常見的過程不同。

碳有兩種穩定的同位素，12和13。通過觀察物質中每一種的數量，研究人員可以確定發生的碳循環具體情況，即使它發生在很久之前。研究人員解釋，太陽系中碳12和碳13的數量是太陽系形成時存在的數量。兩者都存在于一切事物中，但由于碳12比碳13反應得更快，觀察樣品中每種物質的相對數量可以揭示出碳循環。

好奇號由位于南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室操作，在過去的九年中，一直在探索蓋爾隕石坑的一個區域，該區域暴露了古代巖石層。漫游車鉆進了這些巖層的表面，并從埋藏的沉積層中回收了樣品。好奇號在沒有氧氣的情況下加熱了這些樣本，以分離任何化學物質。

對這種熱解產生的部分還原碳的光譜分析顯示，碳12和碳13的含量范圍很廣，具體取決于原始樣品形成的地點或時間。一些碳在碳13中非常缺乏，而在其它碳樣品中則富集。

研究人員稱，碳13含量極度匱乏的樣本有點像澳大利亞的樣本，取自27億年前的沉積物。那些樣本是由生物活動引起的，當時甲烷被古代微生物墊層消耗，但是火星不一定會這樣，因為它是一個可能由與地球不同的材料和過程形成的星球。

為了解釋這些異常枯竭的樣本，研究人員提出了三種可能性——宇宙塵埃云，紫外線輻射分解二氧化碳，或紫外線降解生物制造的甲烷。

研究人員表示，太陽系每隔幾億年就會穿過一個銀河分子云。它不會沉積很多灰塵，在地球記錄中很難看到任何這些沉積事件。

為了創造一個好奇號可以取樣的層，銀河塵埃云首先會降低火星上的溫度，火星上仍然含有水并形成了冰川。灰塵會沉積在冰的頂部，一旦冰川融化，就需要留在原地，留下一層包含碳的污垢。但到目前為止，表明火星上蓋爾隕石坑過去存在冰川的證據并不多。研究人員認為，這種解釋是合理的，但還需要進一步的研究。

碳13含量較低的第二種可能解釋是二氧化碳通過紫外線轉化為甲醛等有機化合物。有研究預測紫外線會導致這種類型的分餾。然而，需要更多的實驗結果來顯示這種尺寸分級，這樣才能排除或肯定這種解釋。

第三種可能的猜測是具有生物學基礎。在地球上，來自古地表的大量碳13耗盡特征將表明過去的微生物消耗了微生物產生的甲烷。古代火星可能已經從地下釋放了大量的甲烷羽流，那里的甲烷生產在能量上是有利的。然后，釋放的甲烷要么被表面微生物消耗，要么與紫外線反應并直接沉積在表面上。

研究人員表示，所有這三種可能性都指向一個不尋常的碳循環，這與當今地球上的任何事物都不同。但是目前仍需要更多的數據來確定其中哪一個是正確的解釋。

題為Depleted carbon isotope compositions observed at Gale crater, Mars的相關研究論文發表在《美國國家科學院院刊》上。

前瞻經濟學人APP資訊組

參考資料：

https://phys.org/news/2022-01-newly-carbon-yield-clues-ancient.html

標簽： 火星 碳