水對於地球和其他行星上的生命來說是必不可少的，科學家們已經在火星的早期歷史中找到了大量的水的證據。但是現在的火星表面沒有液態水。聖路易斯華盛頓大學的新研究提出了一個根本原因。火星可能只是太小，無法容納大量的水。
遙感研究和可追溯到20世紀80年代的火星隕石分析認為，與地球相比，火星曾經富含水。美國宇航局（NASA）的維京號軌道飛行器–以及最近火星地面上的“好奇號”和“毅力號”探測器–傳回了以河谷和洪流為標誌的火星地貌的壯觀圖像。
儘管有這些證據，但表面上沒有液態水。研究人員提出了許多可能的解釋，包括火星磁場的減弱，這可能導致厚重的大氣層的消失。
但是9月20日發表在《美國國家科學院院刊》上的一項研究提出了一個更根本的原因，即今天的火星看起來與地球”藍色大理石”截然不同。
“火星的命運從一開始就被決定了，”聖路易斯華盛頓大學文理學院地球和行星科學助理教授、該研究的資深作者王坤說。“在岩質行星保留足夠的水以實現可居住性和板塊構造的尺寸要求上，很可能有一個閾值，質量超過火星的質量。”
在這項新的研究中，王坤和他的合作者使用元素鉀（K）的穩定同位素來估計不同行星體上揮發性元素的存在、分佈和丰度。
鉀是一種中等揮發性的元素，但科學家們決定將其作為一種更易揮發的元素和化合物的示蹤劑，如水。這是一種相對較新的方法，與之前利用遙感和化學分析收集的鉀釷比來確定火星曾經擁有的揮發性物質數量的嘗試不同。在以前的研究中，該研究小組的成員使用鉀示蹤法來研究月球的形成。
王坤和他的團隊測量了20塊先前確認的火星隕石的鉀同位素組成，這些隕石被選為代表紅色星球的大量硅酸鹽組成。
利用這種方法，研究人員確定火星在形成過程中比地球損失了更多的鉀和其他揮發性物質，但比月球和小行星4-Vesta保留了更多的這些揮發性物質，這兩個小行星比地球和火星小得多，也更乾燥。研究人員發現，在天體大小和鉀的同位素組成之間有明確的關聯。
“該研究的共同作者、華盛頓大學地球和行星科學研究教授Katharina Lodders說：“分化的行星中的揮發性元素及其化合物的丰度遠遠低於原始未分化的隕石的原因一直是一個長期的問題。發現K同位素組成與行星重力的相關性是一個新的發現，對分化的行星何時以及如何接收和失去它們的揮發性物質具有重要的定量意義。”
“火星隕石是我們唯一可以用來研究火星主體化學構成的樣本，”王坤說。“那些火星隕石的年齡從幾億年到40億年不等，記錄了火星的揮發性演變歷史。通過測量中等揮發性元素的同位素，如鉀，我們可以推斷出散裝行星的揮發性消耗程度，並在不同太陽系天體之間進行比較。”
“火星表面曾經有液態水是不爭的事實，但是僅僅通過遙感和漫遊車研究，火星曾經總共有多少水是難以量化的，”王坤說。“現在有許多關於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濕。我們不相信是這樣的情況。”
研究人員指出，這些發現對尋找火星以外的其他行星上的生命有影響。離太陽太近（或者，對於系外行星來說，離它們的恆星太近）會影響一個行星體可以保留的揮發性物質的數量。這種與恆星的距離測量通常被計入恆星周圍”宜居區”的指數中。
該研究的共同作者、瑞士伯爾尼大學空間和宜居性中心的 Klaus Mezger 說：“這項研究強調，行星有一個非常有限的尺寸範圍，可以有足夠但不多的水來發展一個宜居的表面環境。這些結果將指導天文學家在其他太陽系中尋找可居住的系外行星。”
研究人員現在認為，對於處於宜居區的行星，在思考一顆系外行星是否可以支持生命時，行星的大小可能應該得到更多的強調和常規考慮。
研究人員稱：“一顆系外行星的大小是最容易確定的參數之一。根據大小和質量，我們現在知道一顆系外行星是否是生命的候選者，因為決定揮發性保留的第一階因素是大小。”