来自外太空的“时间胶囊”-风君子博客

  对法国诺曼底的小镇莱格勒(L’aigle)来说,1803 年 4 月 26 日是个不寻常的日子。因为在那天,天上下起了“岩石雨”。

  超过 3000 颗石头从天而降,幸运的是没有人因此受伤。法国科学院根据许多目击者所说的故事和这些岩石的不同寻常的外观,宣布这些岩石是来自太空。

  在绕太阳公转的过程中,地球不断地受到岩石的撞击,这种撞击每天为地球带来 50 吨左右的额外质量。这些岩石被称为陨石,我们很容易在沙漠和南极洲的冰原上发现它们的踪迹,在那些地方它们显得特别突出。有时,它们甚至可能在房屋的后院着陆,或者隐匿在普通的陆地岩石之中。这些陨石会被许多业余爱好者和专业人士收集,一些更有趣的陨石则会被送往世界各地的博物馆和实验室进行展示和研究。

  尽管成千上万的科学家已经进行了几十年的深入研究,但对于大多数陨石是如何形成的,科学家还没有达成普遍的共识。作为一名天文学家和一名地质学家,我们最近提出了一种新的理论,可以用来解释究竟在太阳系的形成过程中发生了什么,才创造出了这些珍贵的历史遗迹。由于行星就是由这些最初的岩石相撞而形成的,所以这也是地球历史的重要组成部分。

  神秘的陨石球粒

  大约 10% 的陨石是纯铁。这些物质是通过一个多步骤的过程形成的,在这个过程中,一个巨大的熔融小行星具有足够强的引力,能使铁下沉到它的中心,于是像地球一样形成了一个铁的核心。当这颗小行星凝固之后,它可能会与其他物体发生撞击,而粉碎形成陨石。铁陨石的古老程度与太阳系一样,证明了大型小行星的形成很迅速,而且完全熔融的小行星曾经非常丰富。

  其余 90% 的陨石被称为“球粒陨石”,因为它们充满了“球粒”,这是一种神秘而微小的球体。没有任何一种陆地岩石的内部具有这类球粒状的东西。很明显,这是因为在太空中,当温度在不到一小时内就升高到岩石的熔点(约 1650 摄氏度)时,这种短时间的剧烈加热过程让球粒形成了。

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Semarkona 陨石的特写镜头,图中显示了数十个球粒。 图片来源:Kenichi Abe

  在过去的 40 年里,研究人员提出了许多假设。但对于这种短暂的升温是如何发生的,目前还没有达成共识。

  球粒问题是一个非常困难且有争议的问题,几年前,当我们向同行们宣告我们正在研究这个问题时,他们的反应总是微笑、摇头,甚至表示同情。现在既然我们已经提出了一个解决方案,我们就准备好要面对更加尖锐的回应,这没什么,因为这才是科学前进的方式。

  飞掠模型

  我们的想法很简单。对数百个球粒的放射性年代测定表明,它们大约形成于 46 亿年前,具体来说是在太阳系形成之后的 180 万至 400 万年之间。在这段时间内,存在大量完全熔融的小行星,也就是铁陨石的母体。这些小行星上的火山爆发向周围的空间释放了大量的热量。任何小型天体在喷发过程中经过附近,都会经历短暂而强烈的热风。

  为了检验我们的假设,我们将研究分成几组。天文学家Herbst对这些数字进行了分析,确定了球粒的形成需要多少热量和时间。然后,地质学家Greenwood用实验室里的熔炉重新模拟了预测的条件,看我们能否在实验室中制造出球粒。

  得到的实验结果非常成功。

  我们从地球岩石中提取了一些成分与太空尘埃类似的细粉尘,将它们放入一个小小的胶囊中,再放入熔炉里,让温度在预测范围内循环。得到了一个漂亮的人造球粒。结案了吗?没有这么简单。

  我们的模型出现了两个问题。首先,我们忽略了一个更大的问题,那就是陨石球粒是如何成为整个陨石的一部分的。它们与被称为基质的球粒之间的物质有什么关系?此外,我们的模型看起来似乎有点太不切实际。只有一小部分原始物质会按照我们提设定的方式被加热。

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在实验室使用飞掠模型合成的人工陨石球粒(左),与从 Semarkona 陨石中提取的真实陨石球粒。下面的图是它们的放大图,显示出了它们具有非常相似的晶体结构。 图片来源:J. Greenwood

  制造整块陨石

  为了解决这些问题,我们拓展了我们的初始模型,开始考虑更大的、直径可达几英里(1 英里≈1.6 公里)的物体飞掠加热区的情况。当这种物质接近一颗炽热的小行星时,它的一部分会像彗星一样蒸发,形成富含氧气和其他易挥发元素的大气层。根据先前进行的一些详细的化学研究,我们认为这正是能形成球粒的大气层。

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作者所提出的用于形成球粒的模型:一小块直径为几英里或更小一点的岩石(右)在靠近一颗在其表面有熔岩喷发的高温小行星。来自热熔岩的红外辐射短暂地提高了岩石的温度,足以形成球粒,并使它的一部分硬化成了陨石。 图片来源:W. Herbst/Icarus

  我们还预计,高温和气压会通过一种名为热等静压(可用于制造金属合金)的过程,将飞掠的物体硬化成一块完整的陨石。当陨石球粒融化成小小的球体时,它们会向基质释放气体,当陨石变硬时,基质会将这些元素困住。如果陨石球粒和球粒状陨石是以这种方式一起形成的,那么我们预计基质中某种元素的增强会与球粒所耗尽的元素完全相同。事实上,几十年来我们都观测到了这种互补的现象,而我们的模型为它提供了一个合理的解释。

  或许我们的模型最新颖特征在于它将球粒的形成直接与陨石的硬化联系了起来。由于只有坚硬的天体才能穿过地球的大气层,因此我们认为那些在博物馆里出现的陨石都充满球粒。但在太空中,充满球粒的硬化陨石是一个例外,因为它们是通过一个相对偶然的过程形成的,这个过程就是飞掠热的天体。我们应该很快就能知道这个想法是否站得住脚,因为这个模型还预测在小行星上球粒应该是不非常少见的。目前,日本和美国都有探测附近小行星的任务,因此它们将会在未来几年里送回样本。

  如果那些小行星上也充满了球粒,就像穿过大气层抵达地球表面的那些硬化陨石一样,那么我们的模型就可以被抛诸脑后,继续探寻可以解释这个著名的球粒问题的解决方案。但如果小行星上鲜有球粒,那么飞掠模型就通过了一次重要的检验。

  撰文:

  William Herbst(卫斯理大学天文学教授)

  James Greenwood(卫斯理大学地质学副教授)

  原文标题为“The tell-tale clue to how meteorites were made, at the birth of the solar system”,首发于 2019 年 6 月 6 日的 The Conversation。

  原文链接:https://theconversation.com/the-tell-tale-clue-to-how-meteorites-were-made-at-the-birth-of-the-solar-system-116052. 中文内容略有修改,仅供参考,一切内容以英文原版为准。