國際小行星日｜天外來“客”： 小行星守護著太陽系“童年”的秘密？

今天是國際小行星日，根據(jù)全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會審定的地球物理學(xué)名詞，小行星是指太陽系中環(huán)繞太陽運動的、體積和質(zhì)量遠(yuǎn)小于八大行星的天體。對于浩瀚的宇宙，甚至對于我們太陽系來說，小行星只是“滄海一粟”。然而，小行星竟守護著太陽系“童年”的秘密。

圖1. 藝術(shù)想象圖：正在形成中的太陽和它周圍的行星盤。（圖片來源：ESO）

01 一顆飄蕩了幾十億年的小行星碎片

在太陽剛剛誕生的時候，周圍存在一個由塵埃和氣體組成的行星盤，行星就在這盤中誕生，其中氣體占了99%，固體顆粒只有1%。絕大部分氣體逐漸被太陽吸積，而固體塵埃會碰撞凝聚在一起，成為了沙礫、巖石等，它們越長越大，最終可以成為像我們地球一樣的巖石行星、矮行星、衛(wèi)星和數(shù)量眾多的小行星。還有一些巖石碎片一直在太陽系中游弋，它們可能是被遺留了下來的或者由于小行星的碰撞產(chǎn)生的。一次偶然的機會，它被地球的引力捕獲，變成流星落向地球，如果沒有在大氣中燃燒殆盡，就成了地球上最常見的隕石——球粒隕石。

在1940年的一個夜晚，一顆飄蕩了幾十億年的小行星碎片墜入了地球，在和空氣的劇烈摩擦中，產(chǎn)生了一道耀眼的亮光劃破了夜的寂靜，最終落到了印度北部一個名為Semarkona的小村莊。于是，這顆隕石被命名為Semarkona，它的重量為691克。Semarkona隕石屬于普通球粒隕石中最為罕見的一個子類，直到70多年后，才發(fā)現(xiàn)了屬于該子類的第二顆隕石。該子類的隕石經(jīng)歷了最少的變化，保持了最原始的狀態(tài)，因此通過它們可以了解太陽系形成時的環(huán)境和條件。在Semarkona隕石發(fā)現(xiàn)之后，科學(xué)家們開展了大量的研究，直到今天，還有很多的研究以Semarkona隕石為對象，為我們揭示了太陽系形成的奧秘。

圖2. Semarkona隕石，被認(rèn)為是最原始的隕石之一，包含了大量的毫米大小的球粒，圖片顯示的是1.5厘米大小的截面。（圖片來源：THE PLANETARY SOCIETY）

02 如何測量Semarkona隕石的年齡

放射性同位素的衰變以當(dāng)做大自然的時鐘。隕石里含有微量的放射性同位素和它的衰變產(chǎn)物，通過測量它們，科學(xué)家們可以知道隕石形成的時間。什么是放射性同位素呢？鋁是我們?nèi)粘Ｉ钪泻艹Ｒ姷囊环N金屬元素，比如可樂的易拉罐就是鋁做的。想象一下，鋁原子的核心像一個小房間，里面住著質(zhì)子（帶正電的粒子）和中子（不帶電的粒子）。普通鋁原子，我們叫它鋁-27，因為它的核中有13個質(zhì)子和14個中子，非常穩(wěn)定，就像一個和諧的家庭。鋁-26是鋁的一種同位素，它的原子核里少了一個中子，這樣的組合不太穩(wěn)定，進(jìn)而通過放出能量和粒子讓自己變得更加穩(wěn)定，這個過程就是放射性衰變，鋁-26會變成另一種穩(wěn)定元素鎂-26，包括12個質(zhì)子和14個中子。因此鋁-26是鋁的一種放射性同位素。這個衰變過程非常緩慢，鋁-26的半衰期大約是72萬年，也就是說，如果你現(xiàn)在有一堆鋁-26，要過72萬年，才會有一半的鋁-26完成了它的變身之旅。

富鈣鋁包體富含鈣和鋁的礦物組成，是球粒隕石的主要組成材料。是太陽系形成第一批固體，因此它的誕生時刻通常被認(rèn)為是太陽系形成的時間零點，大約在45.67億年前。這個年齡是通過鈾-238和鈾-235衰變測量的，它們的半衰期分別為44.68億年和7.04億年，衰變產(chǎn)物為鉛-206和鉛-207，因此這種方法也被稱為“鉛-鉛”測年法。顧名思義，富鈣鋁包體富含鋁，通過測量發(fā)現(xiàn)富鈣鋁包體形成時，鋁-26和鋁-27的比值大約是兩萬分之一。對于球粒隕石來說，科學(xué)家們能夠測量球粒形成時鋁-26和鋁-27的比值，通過這個比值以及鋁-26的半衰期，可以推斷球粒相對于富鈣鋁包體形成的時間。對Semarkona隕石中不同的球粒進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，球粒誕生于富鈣鋁包體形成之后100萬到300萬年，而且在這期間分別在120、160、210、240、290萬年時分別經(jīng)歷不同的熱融化事件產(chǎn)生了球粒。

03 隕石里記錄了超新星爆發(fā)？

此外，通過測量隕石里含有微量的放射性同位素和它的衰變產(chǎn)物，就能夠研究隕石形成時，也就是太陽系行星盤甚至更早期是什么樣的狀態(tài)，經(jīng)歷了什么樣的環(huán)境。比如上述的鋁-26的來源，存在多種說法，其中一種就是附近的超新星爆發(fā)帶來了放射性鋁-26。

鐵-60是鐵的一種放射性元素，它會衰變成鎳-60?？茖W(xué)家們通過分析Semarkona隕石中鎳-60、鎳-58和鐵-56的比值關(guān)系，推斷出在隕石形成時鐵-60的含量非常高，說明在太陽系形成早期，星云物質(zhì)里面含有超量的鐵-60，而且它們不可能來自剛剛誕生的太陽對于星云物質(zhì)的照射，也不可能來自和星際物質(zhì)的混合。對于如此超量的鐵-60，科學(xué)家們認(rèn)為最有可能的原因是，在太陽系形成的時候，有一顆距離非常近的超新星爆發(fā)帶來了新合成的鐵-60。進(jìn)一步的數(shù)值模擬表明，是一顆距離太陽系3光年左右，大約20倍太陽質(zhì)量的恒星發(fā)生了超新星爆發(fā)，它產(chǎn)生的沖擊波把爆發(fā)中產(chǎn)生的鐵-60帶入了幼年的太陽系，從而后來形成的小行星都打上了這次超新星爆發(fā)的烙印。

然而，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的道路上布滿了荊棘。后來的研究發(fā)現(xiàn)在形成太陽系的星云和形成行星的行星盤中鐵-60的含量并不高，比之前的結(jié)果低了100倍。其中的原因有：其一，直到2009年，人們才發(fā)現(xiàn)鐵-60的半衰期并不是之前認(rèn)為的150萬年，而是260萬年；其二，之前有些研究工作存在一些問題，包括儀器、樣本和統(tǒng)計分析方法等。因此，現(xiàn)在關(guān)于Semarkona隕石中鐵-60的含量存在很大爭議，有人認(rèn)為這個爭議可能來自鐵-60分布的不均勻性。在太陽系誕生的早期是否存在一個非常近的超新星爆發(fā)，希望后續(xù)的研究能夠為我們揭開這個謎題。

圖3.超新星爆發(fā)的藝術(shù)想象圖。 （圖片來源：Melissa Weiss/CfA）

04 隕石記錄了星云磁場

Semarkona隕石的10%球粒中存在橄欖石礦物顆粒，包含著微米級的鐵鎳金屬，當(dāng)它們暴露在磁場環(huán)境中時，會被磁化。由于這種橄欖石礦物顆粒獨特的成分、尺寸和磁性，它們會一直保持當(dāng)初被磁化時的磁場。因此測量Semarkona隕石中橄欖石礦物顆粒的磁場，就能獲得這些隕石球粒形成時的環(huán)境磁場。

科學(xué)家們利用了依賴超導(dǎo)技術(shù)的磁力計非常精確地測量了Semarkona隕石中球粒中橄欖石礦物的磁場大約為54微特斯拉，而且不同球粒的磁場方向是隨機分布的，這說明這些球粒在融合成小行星之前就已經(jīng)被磁化了。進(jìn)而推斷出這些球粒形成時，太陽系星云的磁場大約為5至54微特斯拉，比現(xiàn)在的星際空間的磁場大10萬倍。

這個磁場測量也解決了困擾科學(xué)家數(shù)十年的一個謎題。行星盤存在的時間大約是幾百萬年，什么樣的機制能夠讓氣體能夠在這么短的時間內(nèi)全部落入太陽？科學(xué)家們猜想一些包含磁場的機制可以使氣體快速落入太陽，比如磁旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性，測量的結(jié)果表明，原初行星盤物質(zhì)有足夠的磁場加快行星盤的氣體落向太陽，支持了這種磁場機制。

圖5.藝術(shù)想象圖，遍布磁場的原初行星盤，球狀顆粒是毫米級的球粒礦物。（圖片來源： Hernán Ca?ellas）

一顆小行星的碎片，無意間落入地球，成為了Semarkona隕石，這顆隕石就像是磁帶，記錄了如此豐富的關(guān)于太陽系形成的信息，在國際小行星日到來之際，我們通過小行星，再一次略領(lǐng)了宇宙無窮的奧妙。

參考資料：

1. Homogeneous Distribution of 26Al in the Solar System from the Mg Isotopic Composition of Chondrules | Science

2. 60Fe: A Heat Source for Planetary Differentiation from a Nearby Supernova Explosion - NASA/ADS (harvard.edu)

3. Radioactive Probes of the Supernova-contaminated Solar Nebula: Evidence that the Sun Was Born in a Cluster - NASA/ADS (harvard.edu)

4. Short-Lived Nuclides in the Early Solar System: Abundances, Origins, and Applications | Annual Reviews

5. Solar nebula magnetic fields recorded in the Semarkona meteorite | Science

作者：閆震 中國科學(xué)院上海天文臺 研究員

出品：科普中國

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