小石頭引起的大麻煩

從20世紀80年代中期以來，馬克·哈里森（Mark Harrison）在澳大利亞採集了20萬塊岩石樣本，但其中只有一塊含有他一直在尋找的東西——兩個石墨斑點，每一個的大小還趕不上一個紅細胞。或許確實小了點兒，卻能夠推翻對於地球上的生命我們所知道的一切。

哈里森是美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的地質學家，他記得當時自己心裡是這麼嘀咕的——「天哪，它們和因生物起源的太像了！」生物起源意味著是由生命製造出來的，但這是如何做到的呢？這些石墨斑點是在一塊鋯石晶體中被發現的，而這塊鋯石則在西澳大利亞的傑克山深處被埋藏了41億年。因此，它們似乎是在暗示，我們地球的宜居性比此前任何人想像的都至少提前了3億年。

美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的地質學家馬克·哈里森。他在一塊鋯石晶體中發現的石墨斑點似乎暗示，地球的宜居性比此前預期的提前了3億年。版權：Reed Hutchinson/UCLA

更重要的是，這些首批生物體存在的時間比地球能承載任何生命的時間還要更早。人們認為，在如此早期的時代，地球是由熔岩覆蓋的煉獄，並且還遭受到小天體的猛烈轟擊。如果哈里森的化石所暗示的是真實的，它們不僅會改寫生命和地球的歷史，甚至還會改寫整個太陽系的歷史。

在解釋所有這一切是如何開始的時候，科學家認為現有的理論或多或少是奏效的。大約46億年前，在一個不起眼星系的某一個角落，一個巨大的塵埃和氣體雲開始坍縮成一個稠密的物質球。隨著它吸引越來越多周圍的物質，其核心處的溫度和壓強也在不斷升高，直到核聚變被點燃。這會釋放出大量的能量，這一刻也標誌著我們的太陽成為了一顆恆星。

當新生恆星逐漸開始自轉時，圍繞它公轉的小天體開始碰撞凝聚到一起。在距離太陽較近的地方，大量的水冰因熱量而被蒸發，只留下了金屬化合物來形成較小的岩質行星。在更遠的地方，較低的溫度使得由冰和氣體構成的巨行星得以形成。所有這些天體都幾乎位於同一個平面內，並且以近圓形軌道運動。

雖然整個圖像很漂亮，但是隨著對細節的進一步深入，它的不完整性就越發明顯。一方面，它很難解釋特洛伊小行星的數量和分布，有數千個這樣的小天體就尾隨在木星的軌道之後。另一方面，位於海王星之外且冥王星就位於其中的柯伊伯帶也同樣難以自圓其說——與經典的圖像相比，有許多柯伊伯帶天體相對於行星的軌道平面有著很大的傾角。然而，最令人費解的，也許是遠古時期的狂轟濫炸在月球上留下的印跡。由阿波羅宇航員帶回地球的岩石表明，月球表面遍布的環形山是發生在39億年前的一次曠日持久的轟擊的結果，這是經典模型難以解釋的。

2005年，有科學家對此給出了一個解釋，稱為尼斯模型，得名於提出該模型的天文學家所在的法國城市。它對經典的圖像做了細化，提出太陽系中的4顆巨行星起初要遠比現在更靠近彼此。這種結構是不穩定的，會引發持續數百萬年的引力角力。在此期間，巨行星會遷移到它們目前所在的位置，由此會擾亂數以百萬計的小天體，使得它們在早期的太陽系中橫衝直撞。在木星引力的影響下，許多小天體成為了尾隨木星的特洛伊小行星，而其他的則定居到了太陽系的外部區域，成為了具有高軌道傾角的柯伊伯帶天體。

與此同時，位於火星和木星之間的小行星則從它們的軌道上脫離，其中很多會與太陽系最內層的行星發生碰撞。這一劇烈活動的時期被稱為晚期大規模轟擊，它在月球上留下了密密麻麻的環形山，並重創了正在早期發育階段的地球。

地質學家馬克·哈里森在鋯石晶體中發現石墨斑點的顯微圖像。版權：Stanford/UCLA

由這一時期留存到現在的少量岩石告訴我們，早期的地球如同煉獄，被火山噴發出的熔岩所覆蓋。晚期大規模轟擊持續了幾億年，使得地球一直處於被稱為冥古代的極端地質時期。在如此惡劣的環境下是無法存在生命的。事實上，第一批由生物所產生的碳可以追溯到約38億年前，與地球終於邁入平和時期以及與來自外太陽系的轟擊放慢的時期相一致。

因此，如果讓哈里森為之興奮的石墨斑點確實屬實，那麼它不僅會是地球上已知最古老生命形式的證據，也會是這些生命出現在一個不可能年代的佐證。這裡的關鍵就是岩石樣本內同位素碳13和碳12的比例。根據當今的這個碳同位素比值，可以判斷出它具有生物學起源。

當然，也有人告誡，不要過快地下結論。畢竟，這只是由一塊鋯石得出的。不過，這塊鋯石也為尋找更多的樣本進而確定生命出現的確切時間奠定了基礎。

無論有沒有生命，這一來自傑克山的最新證據表明，地球環境極端惡劣的幼年時期要比天文學家曾經認為的更為短暫。早在1999年，地質學家在這一地區發現的其他鋯石就顯示，早在44億年前地球表面的部分區域就已冷卻固化。更重要的是，對岩石含氧量的測量表明，地球的溫度已經下降到足以維持液態水的程度。

2013年，又出現了其他與地球和太陽系形成和演化經典模型有出入的證據，當時科學家正在分析另一塊地球上最古老的岩石——它來自於地球另一端的格陵蘭島。結果表明，早在41億年之前，地球上就含有了數量可觀的金和鉑，而此前人們認為這些金屬是由之後的晚期大規模轟擊帶到地球上的。

然而，更大的危機出現在2015年，當時天文學家公布了他們對太陽系形成的最新模擬結果。他們的發現似乎敲響了尼斯模型的喪鐘。在85%的情況下，內太陽系中岩質行星的個數少於目前我們觀測到的4個。在大多數情況下，水星都不會形成。只有1%情況他們能得到一個看上去與我們太陽系相似的行星系統。這並不是第一次尼斯模型因為遇到問題而作出修改，但這一次似乎已經不再是小修小補這麼簡單。得到外太陽系的結構和維持內太陽系的行星，似乎是不可兼得的事情。

失蹤行星的秘密

你是不是曾經有過總是少了點什麼的感覺？研究太陽系的天文學家也有同感。對太陽系演化的最佳解釋似乎總是在暗示，在外太陽系中不應該只有4顆巨行星，而是有5顆。

2011年，計算機模擬表明，如果缺少了第5顆神秘的行星，太陽系早期的強引力相互作用將必然會導致災難性的後果。隨著4顆巨行星慢慢遷移進入它們當前的位置，它們會擾動內太陽系天體，使得太陽系幾乎不可能演化出現在的樣子。

但當有5顆巨行星參與這一角力之後，遷移就會快速進行，可以確保最內層的岩質行星幾乎安然無恙。更重要的是，這「五巨頭」之一會被散射到太陽系的最邊緣，只留下今天我們所能看到的4顆外太陽系巨行星。

那麼，這位岩質行星的守護天使最終去了哪裡呢？其實，圍繞著「第9行星」的懷疑一直暗流涌動，2016年初有天文學家聲稱發現了它。有著600倍於地球的軌道半徑，這個「第9行星」的候選體至少需要10 000年才能繞太陽公轉一周，這使之成為我們的太陽系中最遙遠的天體之一。根據冥王星軌道之外數個柯伊伯帶天體的反常聚集，天文學家推斷出了該天體的存在。如果沒有它的引力作用，很難解釋觀測到的聚集現象。雖然從邏輯上行得通，但迄今為止直接的天文觀測還什麼都沒有發現。

一旦被確認，這必將是一個了不起的發現。它的發現將支持太陽系形成和演化的「五巨頭」模型。

對此其實有一個非常簡單的解決方案。巨行星依然遷移，形成木星特洛伊小行星和柯伊伯帶，但遷移的時間提前到最內層的行星仍在形成之時。這樣一來，地球就能躲過一劫。到地球的形成過程完成時，巨行星的早期遷移會散射掉絕大部分的大型小天體。相對此前的情況，由此地球形成過程的後半段就會更為平靜。

這是一個很有吸引力的想法，不僅可以解釋為什麼太陽系會演化成現在的樣子，同時也解釋了地球是如何在這麼早的時期就變得宜居的。不過，仍然存在著最後一個謎團。如果巨行星的遷移發生在地球和月球成形之前，那麼就必定有其他東西需要對覆蓋月面的環形山負責。但，那是什麼呢？

答案也許就在我們附近。在尼斯模型中，晚期大規模轟擊的大多數撞擊體都來自小行星帶。但是，月球上環形山直徑的分布與小行星大小的分布並不相符。如果晚期大規模轟擊真的是由小行星密集轟擊到月球上的，那麼月球上應該存在更多的大型盆地，事實卻並非如此。也許晚期大規模轟擊可能有另一個來源：火星。

在太陽系歷史的早期，火星和木星之間的小行星受到劇烈擾動飛向內太陽系，重創了正在早期發育階段的地球和月球。

這個想法目前仍在起步階段，許多更具體的細節還需要澄清。有利於這個想法的一個事實是，火星的北半球地勢低洼，和南半球的高地相比十分平坦。許多人認為這是一個直徑2000千米的撞擊體撞擊所形成的一個巨大盆地。由這個撞擊過程所拋射出的碎片在39億年前轟擊了地球和月球。

此外，還有一個更加激進的解釋。39億年前對月球的轟擊其實仍有疑點。得出這一結論的阿波羅岩石樣本採集自月球上多個不同的地點，其中有許多顯示撞擊的時間就在這個數值前後。但是，有人提出阿波羅岩石樣本可能都來自於形成月球雨海盆地的撞擊事件。由此產生的岩質殘骸會散布到月球表面的其他地方，於是乍看之下好像是同時發生過大量的撞擊，而實則只有很少。於是，39億年前的月球興許並沒有遭受到大規模的小天體轟擊。如果能證明造成月球上環形山的撞擊是細水長流並非一蹴而就，那麼尼斯模型就能得救。同樣重要的是，它也會對處於嬰兒期的地球環境產生深遠的影響。如果撞擊的強度大幅下降的話，那麼早期的地球就不會猶如煉獄一般。

無論以哪種方式，只有地球越早地平靜下來，生命才能更快地出現，進而在傑克山的鋯石中留下痕迹。把巨行星遷移的時間提前到更早的時間可以與之相一致。未來的研究工作將著眼於鞏固這一想法。哈里森已經在另一塊傑克山的鋯石中發現了石墨斑點，接下去就將對其碳同位素的比值進行分析。

如果哈里森的預感是正確的，那麼曾經認為的出現在38億年前的最早生命形式就並非是我們進化樹的起點。相反，地球上生命出現的時間可能還要提前數億年，幾乎就在地球成形之後。這也提升了生命形成的速度以及對環境的耐受程度，極大地增加了宇宙中惡劣條件下尋找到生命的可能性。對地球早期歷史的這一重新認識可以指引我們走向更有趣的未來。

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