谷神星核心变质作用调控中型海洋星体动态宜居性——以谷神星为例

研究团队通过耦合化学-热演化模型，揭示谷神星早期因岩石核心热变质作用（>550 K）释放流体，在0.5-20亿年间为地下海洋提供氧化还原失衡能量（如H2/CO2），支持潜在微生物代谢（如产甲烷作用）。该研究为中型冰质天体（500-1000 km）的动态宜居性评估提供新范式，发表于《SCIENCE ADVANCES》。

　　

在太阳系中，谷神星（Ceres）作为一颗直径约940公里的矮行星，长期被视为潜在的水世界。NASA黎明号（Dawn）任务的观测揭示，其表面矿物学和密度结构暗示了早期全球性地下海洋的存在，而近期发现的氯化钠沉积物则指向残余盐水层的可能。然而，当前低温（210-250 K）的海洋环境是否仍适合生命存活？更关键的是，这颗星体何时、如何提供维持生命所需的化学能量？这些问题直接关系到我们对中型冰质天体（如土星和天王星的卫星）宜居潜力的理解。

为解答这些问题，研究团队构建了耦合化学与热演化的综合模型，追踪谷神星内部水环境随时间的变化。通过模拟放射性同位素衰变驱动的热历史（重点关注²⁶Al和⁴⁰K），结合CI型碳质球粒陨石成分假设，研究揭示了四个关键演化阶段：吸积、冰岩分异、岩石核心变质和海洋冻结。

研究主要采用三项核心技术：

1. 1.

   热演化建模：基于热传导方程（含放射性衰变热、相变潜热）计算温度场，采用变步长有限差分法确保数值稳定性；

2. 2.

   矿物相平衡模拟：通过Perple_X软件（基于Gibbs自由能最小化）预测核心矿物组合演变，动态更新热物性参数；

3. 3.

   流体化学建模：利用EQ3/6软件包模拟水岩反应产物（如H₂/CO₂摩尔比），评估氧化还原失衡能量。

热演化驱动内部变质与流体释放

模型显示，谷神星核心在约2亿年达到峰值温度（800 K），触发硅酸盐脱水（>550 K）和碳酸盐脱碳（>700 K）。图2显示，变质作用在0.5-20亿年间持续释放流体，累计达10¹⁸ kg，同时海洋厚度从初始50 km逐渐冻结至千米级（图2C）。值得注意的是，深部孔隙流体（150 km深处）因高温富含H₂（10 μmol/kg）和CO₂，与低温海底形成显著化学梯度。

化学失衡支撑微生物代谢

当深部流体上涌至海底时，CO₂还原为CH₄的反应（公式9）因温度骤降而远离平衡。计算表明，1 kg/s的流体流动可提供3×10¹⁵细胞/s的维持能量（假设细胞能耗3.7×10^-15 J/s）。图3D显示，能量供给在20亿年达峰值（约10³ J/kg），对应潜在生物量10¹⁷细胞（均匀分布假设）。

渗透率决定能量可利用性

图4A指出，若岩石渗透率>10^-10 m²（可能由裂缝形成），流体上涌时间（年尺度）将快于化学平衡时间（百年尺度），确保能量持续输出。反之，低渗透率（<10^-12 m²）会导致流体在上升途中重新平衡，削弱宜居性。

讨论与意义

该研究首次量化了中型冰质天体核心变质作用对宜居性的动态调控：

1. 1.

   时间窗口：谷神星最宜居阶段为0.5-20亿年，此后因冷却逐渐失活；

2. 2.

   能量限制：H₂是产甲烷作用的限制因子，其丰度随温度升高而增加；

3. 3.

   普适性：类似尺寸的天体（如土卫二Enceladus）可能经历相同演化路径。

未来谷神星采样任务（如蒸发岩分析）可通过碳同位素（δ¹³C）验证深部流体输入假说。这项研究不仅重新定义了矮行星的宜居标准，还为寻找地外生命提供了新的能量供给范式——即不依赖光照或潮汐热，仅通过行星内部热化学演化驱动的氧化还原反应维持生命。