來自外太空的「時間膠囊」

撰文：

William Herbst（衛斯理大學天文學教授）

James Greenwood（衛斯理大學地質學副教授）

對法國諾曼底的小鎮萊格勒（L』aigle）來說，1803年4月26日是個不尋常的日子。因為在那天，天上下起了「岩石雨」。

超過3000顆石頭從天而降，幸運的是沒有人因此受傷。法國科學院根據許多目擊者所說的故事和這些岩石的不同尋常的外觀，宣布這些岩石是來自太空。

在繞太陽公轉的過程中，地球不斷地受到岩石的撞擊，這種撞擊每天為地球帶來50噸左右的額外質量。這些岩石被稱為隕石，我們很容易在沙漠和南極洲的冰原上發現它們的蹤跡，在那些地方它們顯得特別突出。有時，它們甚至可能在房屋的後院著陸，或者隱匿在普通的陸地岩石之中。這些隕石會被許多業餘愛好者和專業人士收集，一些更有趣的隕石則會被送往世界各地的博物館和實驗室進行展示和研究。

儘管成千上萬的科學家已經進行了幾十年的深入研究，但對於大多數隕石是如何形成的，科學家還沒有達成普遍的共識。作為一名天文學家和一名地質學家，我們最近提出了一種用來解釋在太陽系的形成過程中發生了什麼，才創造出了這些珍貴的歷史遺迹的新理論。由於行星就是由這些最初的岩石相撞而形成的，所以這也是地球歷史的重要組成部分。

神秘的隕石球粒

大約10%的隕石是純鐵。這些物質是通過一個多步驟的過程形成的，在這個過程中，一個巨大的熔融小行星具有足夠強的引力，能使鐵下沉到它的中心，於是像地球一樣形成了一個鐵的核心。當這顆小行星凝固之後，它可能會與其他物體發生撞擊，而粉碎形成隕石。鐵隕石的古老程度與太陽系一樣，證明了大型小行星的形成很迅速，而且完全熔融的小行星曾經非常豐富。

其餘90%的隕石被稱為「球粒隕石」，因為它們充滿了「球粒」，也就是一種神秘而微小的球體。沒有任何一種陸地岩石的內部具有這樣的球粒狀的東西。很明顯，當溫度在不到一小時內達到岩石的熔點（約1650攝氏度）時，這種短時間的劇烈加熱過程讓球粒在太空中形成了。要怎麼解釋這種段時間的加熱呢？

○ Semarkona隕石的特寫鏡頭，圖中顯示了數十個球粒。| 圖片來源：Kenichi Abe

在過去的40年里，研究人員提出了許多假設。但對於這種短暫的升溫是如何發生的，目前還沒有達成共識。

球粒問題是一個非常困難且有爭議的問題，幾年前，當我們向同行們宣告我們正在研究這個問題時，他們的反應總是微笑、搖頭，甚至表示同情。現在既然我們已經提出了一個解決方案，我們就準備好要面對更加尖銳的回應，這沒什麼，因為這才是科學前進的方式。

飛掠模型

我們的想法很簡單。對數百個球粒的放射性年代測定表明，它們大約形成於46億年前，具體來說是在太陽系形成之後的180萬至400萬年之間。在這段時間內，存在大量完全熔融的小行星，也就是鐵隕石的母體。這些小行星上的火山爆發向周圍的空間釋放了大量的熱量。任何小型天體在噴發過程中經過附近，都會經歷短暫而強烈的熱風。

為了檢驗我們的假設，我們將研究分成幾組。天文學家Herbst對這些數字進行了分析，確定了球粒的形成需要多少熱量和時間。然後，地質學家Greenwood用實驗室里的熔爐重新模擬了預測的條件，看我們能否在實驗室中製造出球粒。

得到的實驗結果非常成功。

我們從地球岩石中提取了一些成分與太空塵埃類似的細粉塵，將它們放入一個小小的膠囊中，再放入熔爐里，讓溫度在預測範圍內循環。得到了一個漂亮的人造球粒。結案了嗎？沒有這麼簡單。

我們的模型出現了兩個問題。首先，我們忽略了一個更大的問題，那就是隕石球粒是如何成為整個隕石的一部分的。它們與被稱為基質的球粒之間的物質有什麼關係？此外，我們的模型看起來似乎有點太不切實際。只有一小部分原始物質會按照我們提設定的方式被加熱。

○ 在實驗室使用飛掠模型合成的人工隕石球粒（左），與從Semarkona隕石中提取的真實隕石球粒。下面的圖是它們的放大圖，顯示出了它們具有非常相似的晶體結構。| 圖片來源：J. Greenwood

製造整塊隕石

為了解決這些問題，我們拓展了我們的初始模型，開始考慮更大的、直徑可達幾英里（1英里≈1.6公里）的物體飛掠熱氣的情況。當這種物質接近一顆熾熱的小行星時，它的一部分會像彗星一樣蒸發，形成富含氧氣和其他易揮發元素的大氣層。根據先前進行的一些詳細的化學研究，我們認為這正是能形成球粒的大氣層。

我們還預計，高溫和氣壓會通過一種名為熱等靜壓（可用於製造金屬合金）的過程，將飛掠的物體硬化成一塊完整的隕石。當隕石球粒融化成小小的球體時，它們會向基質釋放氣體，當隕石變硬時，基質會將這些元素困住。如果隕石球粒和球粒狀隕石是以這種方式一起形成的，那麼我們預計基質中某種元素的增強會與球粒所耗盡的元素完全相同。事實上，幾十年來我們都觀測到了這種互補的現象，而我們的模型為它提供了一個合理的解釋。

○ 作者所提出的用於形成球粒的模型：一小塊直徑為幾英里或更小一點的岩石（右）在靠近一顆在其表面有熔岩噴發的高溫小行星。來自熱熔岩的紅外輻射短暫地提高了岩石的溫度，足以形成球粒，並使它的一部分硬化成了隕石。| 圖片來源：W. Herbst/Icarus

或許我們的模型最新穎特徵在於它將球粒的形成直接與隕石的硬化聯繫了起來。由於只有堅硬的天體才能穿過地球的大氣層，因此我們認為那些在博物館裡出現的隕石都充滿球粒。但在太空中，充滿球粒的硬化隕石是一個例外，因為它們是通過一個相對偶然的過程形成的，這個過程就是飛掠熱的天體。我們應該很快就能知道這個想法是否站得住腳，因為這個模型還預測在小行星上球粒應該是不非常少見的。目前，日本和美國都有探測附近小行星的任務，因此它們將會在未來幾年裡送回樣本。

如果那些小行星上也充滿了球粒，就像穿過大氣層抵達地球表面的那些硬化隕石一樣，那麼我們的模型就可以被拋諸腦後，繼續探尋可以解釋這個著名的球粒問題的解決方案。但如果小行星上鮮有球粒，那麼飛越模型就通過了一次重要的檢驗。

原文標題為「The tell-tale clue to how meteorites were made, at the birth of the solar system」，首發於2019年6月6日的The Conversation。原文鏈接：https://theconversation.com/the-tell-tale-clue-to-how-meteorites-were-made-at-the-birth-of-the-solar-system-116052. 中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。

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