來自星星的隕石：如何幫它們找到「媽媽」？

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阿盟說

地球上每天約有100噸來自宇宙的物質進入大氣層，其中包括許多隕石。落在地球表面的隕石不僅有來自火星的火星隕石、來自月球的月球隕石，還有來自灶神星的樣品灶神星隕石。

那麼，科學家是怎麼知道這些隕石來源於哪個天體的呢？

撰文：徐璐媛（東京大學）

來源：知乎，經作者授權轉載

審校：鄭永春

隕石的總體分類

隕石分類的方法有很多種，比較常見的的有：

1）按成分

石隕石（絕大多數都是石隕石）

石-鐵隕石

鐵隕石

2）按結構和質地

球粒隕石（Chondrites）

非球粒隕石（Nonchondrites或Achondrites），進一步分為：

- 原始非球粒隕石 （Primitive Achondrites）

- 經歷了熱分異的非球粒隕石 （Differentiated Achondrites），目前我們能夠識別來源的隕石全部屬於這一類。

目前能夠識別的隕石來源

目前能夠識別的隕石來源只有：月球隕石、火星隕石（以SNC為代表）和灶神星隕石（HED），其中灶神星隕石依然還有爭議。其他的通通不知道！

1. 月球隕石

早在20世紀70年代，阿波羅樣品就告訴我們，月球物質有很多迥異於可能來自火星或者小行星的其他隕石的成分特性，如FeO/MnO比， K/La比等。這些性質已經可以幫我們進行月球隕石的初步分類和判斷。

阿波羅樣品中的FeO/MnO相關性（Laul et al., 1972）

阿波羅樣品中的K/La相關性（Wanke et al. , 1972）相比於地球和其他岩石（https://curator.jsc.nasa.gov/antmet/lmc/lmc_identification.cfm）

Clayton et al.早在1976年就已經基於氧的同位素18O/16O和17O/16O的比例（數字都是上標）將隕石和行星物質分為六類：1)類地類，包括地球、月球、經歷了熱分異的隕石和頑輝石球粒隕石（enstatite chondrite）；2）L和LL型普通球粒隕石； 3）II型普通球粒隕石； 4）C2, C3和C4型無水碳質球粒隕石（carbonaceous chondrite）； 5）C2型含水碳質球粒隕石和 6）其他。屬於第一類的月球隕石其實已經大致被分出來了。

第一顆被確認的月球隕石是1981年於南極洲艾倫山的維多利亞地區（Victoria Land）發現的Allan Hills 81005（後稱為ALHA81005）。

（https://www.wikiwand.com/en/Lunar_meteorite）

1983年9月的《地球物理研究通訊》（Geophysical Research Letters）中一個小專題就叫月球隕石（A Meteorite From the Moon）（Geophysical Research Letters- 1983年9月第10卷第9期），發表了19篇關於月球隕石ALHA81005隕石的論文，從各個角度論述了ALHA81005隕石的特徵以及其和阿波羅樣品的相似性。

如Marvin（The discovery and initial characterization of Allan Hills 81005：The first lunar meteorite） 通過ALHA81005隕石和阿波羅的隕石樣品在礦物學和化學成分方面的相似性認為ALHA81005隕石來自月球。

Mayeda et al. （Oxygen and silicon isotopes in ALHA 81005）通過ALHA81005隕石和阿波羅的隕石樣品在氧和硅同位素成分方面的相似性認為ALHA81005隕石來自月球。

1984年，Yanai et al用類似的礦物學和化學成分分析，認為日本南極科考團於1979年在南極發現的隕石YAMATO 791197也是月球隕石——於是這顆隕石成為人類目前最早發現的月球隕石。

之後的幾十年類似的研究在不斷細化，但我們依然無法知道某顆月球隕石是來自月球的具體哪個地方。第一顆被確認具體來源的月球隕石是2002年於阿曼發現的Sayh al Uhaymir 169，Gnos et al. 通過該隕石中的多種同位素成分發現該隕石的來源地經歷過四次撞擊事件分別發生於約3909百萬年前（Ma），約2800百萬年，約200百萬年前和小於0.34百萬年前，然後在約9700年前撞擊到地球上。通過這些信息，Gnos et al.判斷這顆隕石應當來源於月球的Lalande撞擊坑，這一成果發表於2014年7月的《自然》雜誌。

最後，目前已被識別的月球隕石列表見：

http://meteorites.wustl.edu/lunar/moon_meteorites_list_alumina.htm

一句話總結：月球隕石主要是通過隕石和阿波羅採樣回來的樣品在化學成分、礦物學、質地和節理、同位素斜率等方面的相似性來判斷的。

2. 火星隕石

火星隕石的發現思路其實基本差不多。火星隕石的代表是SNC隕石，分別於1865年降落在印度的Shergotty、1911年埃及的Nakhla和1815年法國的Chassigny隕石 , 這三顆隕石代表了三種不同類型的隕石，隨後被以這三個地名命名為Shergottites類（輝熔長石無球粒隕石），Nakhlites類（透輝橄無球粒隕石）Chassignites類隕石（純橄無球粒隕石）。早在20世紀70年代，人們就已經發現SNC隕石在礦物學成分和氧同位素特徵等方面明顯自成一類，迥異於其他隕石，認為它們來自同一類母星，加上和海盜號著陸器分析的火星岩石樣品成分等結果有很大的相似性，這些間接證據都指向SNC隕石來自火星。

SNC隕石（圖像均來自維基百科）

直接證據來於1983年Bogard和Johnson發表於《自然》雜誌的論文：他們通過對南極發現的Elephant Moraine 79001隕石（Shergottites類，後簡稱EET79001隕石）中封存的惰性氣體同位素分析（主要是Ar40/Ar36和Xe129/Xe132），認為其非常近似於海盜號探測到的火星大氣中的氣體成分，且和其他隕石和星體都不同，這一事實從地球化學角度直接證明了Shergottites類隕石極有可能來自於火星。

之後各種支持性的證據就沒有停過。到2000年，Treiman et al. （The SNC meteorites are from Mars）通過對14顆SNC隕石的研究，認為SNC隕石全部來自火星。當然，火星隕石除了SNC隕石之外還有其他的，這裡按下不表。

2013年，NASA報道稱好奇號火星車對火星大氣中Ar的分析也支持地球上發現的某些隕石來自火星（NASA Rover Confirms Mars Origin of Some Meteorites http://mars.jpl.nasa.gov/msl/news/whatsnew/index.cfm?FuseAction=ShowNews&NewsID=1525）。

2014年，Werner et al.發表於《自然》雜誌的論文通過礦物學比較和撞擊坑定年估計的地表年代以及隕石的形成年代比較認為Shergottite類隕石來源於火星的 Mojave撞擊坑，並通過放射性元素測定的Shergottite類隕石的結晶年代反過來重新給Mojave撞擊坑的絕對年齡做了標定。

目前已經確認的火星隕石列表見：

List of Martian Meteorites http://www.imca.cc/mars/martian-meteorites-list.htm

Martian Meteorite Compendium Meteorite List https://curator.jsc.nasa.gov/antmet/mmc/contents.cfm

一句話總結：火星隕石主要是通過隕石中封存的惰性氣體和維京號在火星上分析的火星氣體有相同成分來判斷的。

3. 灶神星隕石

隨著對隕石的了解日漸深入，人們漸漸發現，地球上的大部分隕石都是來自小行星帶甚至更遠的外太空（其中一個重要的標準是大部分隕石的年齡都非常老，超過45億年），極少一部分才來自內太陽系——也就是大部分我們依然不知道具體來自哪裡。同時，由於我們對小行星帶不像月球火星那樣有各種豐富的觀測資料，既沒有月球採樣返回的岩石樣品，又沒有火星的著陸器在地（in-situ）分析數據，我們所知的，主要還是來自天文望遠鏡以及探測器的遙感觀測。

唯一一類月球和火星隕石之外可能知道來源的隕石是HED隕石，依然是以其獨特的氧同位素成分和礦石中的Fe/Mn比例自成一類。HED 隕石是三種非球粒隕石的總稱，分別是：

古銅鈣無粒隕石（Howardites）

鈣長輝長無粒隕石（Eucrites）

古銅無球隕石（Diogenites）

從邏輯上來說，這個標準當然不夠有力，畢竟還有那麼多那麼多沒被發現的星體呢，誰知道還能不能找到更像的？但由於V型小行星的光譜特徵實在太過與眾不同，所以以目前現有的觀測數據而論，大家雖然對HED隕石來自灶神星的說法一直持謹慎懷疑態度，但總體來說也算是基本認可的。

1993年，Binzel and Xu發表於Science的論文，通過望遠鏡觀測光譜類似灶神星以及HED隕石的20顆小行星進行研究，認為這些小行星的軌道特徵表明這些小行星全部都曾經是灶神星的碎片，也就是說這些光譜和灶神星以及HED隕石相似的小行星全部來自灶神星，這些小行星和HED隕石一樣，是灶神星撞擊事件中被濺出的碎片。這同時也成為了HED隕石來自灶神星的間接證據。

20顆光譜類似灶神星和HED隕石的小行星光譜，紅色箭頭就是V型小行星獨有的近紅外吸收特徵，不過這張光譜波長範圍比較短，V型不那麼明顯。PS：為了方便讀者識別譜線特徵，這些譜線在縱坐標上都做了一定的平移，並不代表本身的縱坐標值。

Hiroi et al. （1994）中望遠鏡觀測的灶神星光譜（正方形）和HED隕石的光譜，同樣是明顯的V型吸收波段。

隨著Dawn任務的推進，人們對灶神星的光譜特徵有了更深更仔細的了解，雖然有研究（Moskovitz et al., 2010）認為灶神星的光譜和HED光譜在細節上有一定的差異（offset），這種差異可能是兩者成分不同造成的，但這種差異同時也可能是由於空間風化引起的，因此依然沒有推翻灶神星獨特的光譜和HED隕石光譜的相似性。

一句話總結：HED隕石是通過實驗室測得的隕石光譜和灶神星的遙感光譜相似來判斷的，但是還有爭議。

地球上已經發現了多少隕石？

據隕石資料庫（http://www.lpi.usra.edu/meteor/metbull.php）截止到目前2016年10月的數據，從1970s開始，人類已經確認發現了54884顆隕石（加上一些疑似的隕石還會更多一些），幾乎所有的隕石都是在沙漠發現的（以降水量作為沙漠的判斷標誌的話，南極也是沙漠）。

其中265顆已識別為月球隕石。

179顆已被識別為火星隕石。

以及1778顆已被識別為HED隕石（可能的灶神星隕石）。

也就是說雖然我們已經發現了五萬多顆隕石，但用盡洪荒之力真正能勉強算的上能夠識別來源的隕石不過兩千多顆。

大寫的心累！

參考文獻：

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Laul, J. C., Wakita, H., Showalter, D. L., Boynton, W. V., & Schmitt, R. A. (1972). Bulk, rare earth, and other trace elements in Apollo 14 and 15 and Luna 16 samples. In Lunar and Planetary Science Conference Proceedings (Vol. 3, p. 1181).

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Moskovitz, N. A., Willman, M., Burbine, T. H., Binzel, R. P., & Bus, S. J. (2010). A spectroscopic comparison of HED meteorites and V-type asteroids in the inner main belt.Icarus, 208(2), 773-788.