互动科普

地球上最古老的球粒陨石是一扇窗户，可以让我们看到太阳系刚刚形成时的样子。

撰文：艾伦·E·鲁宾（Alan E. Rubin） 翻译：谢懿

让我着迷的小行星碎片绝大多数是球粒陨石。这种陨石占据已知陨石的80%以上，因几乎都含有粒状体而得名。粒状体是由熔融物质构成的微小颗粒，通常比米粒还小，形成于太阳系的早期小行星成形之前。当我们在显微镜下观看球粒陨石的薄切片时，它们美不胜收，就像瓦西里·康定斯基（Wassily Kandinsky）和其他抽象画家的画作一样。

球粒陨石是科学家触手可及的最古老的岩石。放射性同位素测年显示，这些陨石可以回溯到45亿多年前，行星还未形成之时，当时的太阳系还是一团湍动且旋转的气体和尘埃——天文学家称其为太阳星云。球粒陨石的年龄和成分说明，组成它们的原初物质也是最终构成行星、卫星、小行星和彗星的原材料。绝大多数科学家相信，粒状体是在剧烈事件中，富含硅酸盐的尘埃团块熔化成液滴之时形成的。这些小液滴会快速固化，和尘埃、金属及其他物质一起聚合，形成球粒陨石，然后它们则会形成小行星。小行星间的高速碰撞会使它们碎裂，这些碎片中的一些最终会掉到地球上，成为陨石。与球粒陨石的直接接触真正吸引我的地方并不是美学问题，而是这些陨石形成于太阳系初期，可以带我们回到地球形成时的太阳系，看看那时的环境。

但是正如人类学家所知道的，找到化石只是重建历史的第一步。这些发现需要放进一个背景框架中。然而，由于我们非常缺少有关这些岩石精细结构的数据，因此，推测不同球粒陨石的形成地点，和它们形成时的环境其实很困难。几年前，我对球粒陨石所有的物理特性进行了系统检测，填补了此前的许多重要空白。通过这些数据，根据球粒陨石的诞生地，我编制了一幅太阳星云的粗略结构图。

引人注目的是，在这幅图中，尘埃的分布与一些金牛T星系统大致相同。金牛T天体的光度会无规则变化，并为大量气体所围绕，因此它们被认为是年轻的恒星。这些恒星中，很多周围都有尘埃盘。太阳星云尘埃分布图与金牛T系统结构的一致性，证明了后者是类似太阳系这样的系统的前身。因此，通过球粒陨石，我们不仅能探索遥远的过去，还能让我们对银河系其他年轻恒星系统有更深入的认识。同样，随着科学家了解更多有关这些系统的物理过程，他们就能更好地认识导致太阳系中小行星和行星形成的机制。

球粒陨石的特征

为了分析球粒陨石，探索原始的太阳系，行星科学家首先要准确知道这些岩石的特性。根据一定的特征，比如整体化学组成，同位素（质子数相同但中子数不同的元素）比例，粒状体的数量、大小和类型，含有粒状体和其他物质的紧实尘埃体的个数等，科学家把球粒陨石分为12个基本类型，由于每个类型的球粒陨石都有着独特的物理、化学和同位素特征，因此落到地球上的不同类型的球粒陨石必定来自不同的小行星。科学家已经创造性地炮制出了许多模型，来解释这些不同类型的球粒陨石最初是如何形成的，比如在星云的中平面内，气体湍流和磁场的强度、各种粒子的速度等。然而，从本质上说，最终结论都是含含糊糊的一句话：不同类型的球粒陨石形成于“不同环境”下。

为了更好地了解“不同环境”到底是哪些环境，我从2009年开始挖掘文献，旨在构建一个表格，列出主要球粒陨石的重要特性。一旦有这张表格在手，我就可以分析，在这些可能暗示着每一类陨石过往历史的特性之间，到底有什么关系。但是，我想构建的这张表格有大半都还是空着的，而且似乎鲜有科学家想去收集这类数据。

唯一的办法是自己动手。为此，我坐在显微镜前，仔细观察了91张来自53块不同类型的球粒陨石的切片。在30微米的厚度下，许多矿物会变得透明，可以研究它们的光学特性。这些切片呈现出了大小、形状、质地和颜色各异的多种粒状体。分析上千个粒状体无疑是冗长乏味的，但通过坚持“显微天文学”训练，我成功地在几个月的时间里，完成了这张表格。我的发现并没有完全解决“不同环境”的谜题，但这些结果，却可以更全面、更详细地反映不同类型的球粒陨石形成于太阳星云何处，那里环境又是怎样的。

首先来看一类罕见的顽辉石球粒陨石，它们大概只占在地球上已找到的球粒陨石总数的2%。这些陨石以含量最多的矿物顽辉石（MgSiO3）命名，以其铁的总含量可以划分成高铁（EH）和低铁（EL）两种。科学家已经发现，这些球粒陨石中，氮、氧、钛、铬和镍同位素的丰度与地球和火星相同，由此可以推测，顽辉石球粒陨石可能形成于火星轨道之内，比其他类型的球粒陨石的可能诞生地更靠近太阳。

第二类则是普通球粒陨石，以其铁含量和形式，可进一步划分成3个不同但紧密相关的子类——以H、L和LL标记。“普通”代表它们常见，占据地球上已知陨石总数的74%。这3类球粒陨石如此众多，这可以说明，它们诞生的那个地方，很容易受到引力影响，这样它们才能来到地球。

美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的约翰·沃森（John Wasson）提出，普通球粒陨石来自小行星带中央靠近太阳的区域。在12年的时间里，到太阳距离为日地距离2.5倍（2.5个天文单位）的小行星会正好绕太阳转动3圈；而在相同的时间里，距离太阳5.2个天文单位的木星则正好绕太阳1圈。这一共振意味着，木星巨大的引力会定期地拖曳这些小行星，最终把许多小行星驱赶到内太阳系。在瑞典，科学家发现了几十块年龄约4.7亿年的普通球粒陨石，这表明普通球粒陨石来到地球，要花的时间确实相当于太阳系45亿年历史的10%以上。

第三种是罕见的鲁穆鲁蒂（或R）球粒陨石（以其在肯尼亚的唯一发现地命名），这种陨石的许多化学特性都与普通球粒陨石相似，但前者有着多得多的体物质，其中氧17也要比氧16多。太阳星云中的高温会通常会使同位素的丰度相等，一个天体距离太阳越远，就越有可能保留氧同位素的差异。这一同位素含量上的差异说明，比起普通球粒陨石，R球粒陨石诞生的地方离太阳更远。

高温同时还会破坏有机化合物，在碳粒陨石中可以找到的有机物，比其他类型的球粒陨石更多。因此，几乎可以肯定的是，碳粒陨石是在比R球粒陨石更远的距离上绕太阳转动。碳粒陨石自身又可以分为6大类，根据化学成分、同位素和结构特性，它们又分别来自太阳星云的特定位置。

粒状体上的线索

除了化学成分之外，球粒陨石的内部结构也可以揭示，在陨石形成的环境中，尘埃的含量有多高。在太阳系演化的各个阶段，尘埃都是至关重要的。随着形成太阳和行星的原始物质云坍缩，尘埃颗粒会更有效地吸收红外辐射；这个过程会使星云中心的温度上升，最终导致原恒星的形成。此后，尘埃（和距离中心更远的冰一起）会沉降到星云的中平面，凝结成较大的团块，最终形成大小从几米到几十千米、多孔的星子。这些星子中的一些会熔化。各种熔化和未熔化的星子最终形成了行星；彗星和小行星则最有可能吸积组成更均一的未熔化星子。

揭示特定球粒陨石诞生处尘埃丰度的线索之一，便来自粒状体中硅酸盐核心周围充满尘埃的壳层。例如，特定碳粒陨石中的粒状体通常会包含一个核（即主粒状体），而在外围还有一个由与主粒状体成分类似的熔融或火成物质构成的二级球壳。二级球壳常常还会被一个名为火成边缘的三级球壳所包围，组成三级球壳的矿物颗粒比主粒状体中的更精细。

许多研究陨石的科学家认为，在初次熔化事件之后凝固而成的原始粒状体会拥有一个多孔的尘埃壳层，随后又会经历一次中等量级的事件，熔化了这一壳层，但未触及其内部的粒状体，由此形成了二级球壳。此后，能量更低或者持续时间更短的事件产生了火成边缘。简单地讲，拥有大量“嵌套壳层”结构的粒状体的球粒陨石，似乎形成于多尘的环境中。

多次熔化的过程可能发生于多个时期，在这期间，粒状体会陷入尘埃中，自然长成更大，且拥有较厚二级壳层和火成边缘的粒状体。因此，这些特征表明，在粒状体形成的环境中存在大量的尘埃。包裹在尘埃中的粒状体也会比其他粒状体冷却得更慢，因为热量无法快速辐射出去。而相对较慢的冷却会促进挥发性元素的蒸发，比如钠和硫。虽然绝大多数挥发性物质都会聚集在尘埃的周围（最终被吸纳入球粒陨石中），但其中的一些仍会流失掉。因此，含有尘埃较多的较大粒状体的球粒陨石，其中钠和硫的含量应该低于那些粒状体形成于少尘环境中的球粒陨石。我发现确实如此。

结合上述结果与其他信息，比如陨石母小行星的位置信息，我得到了一张早期太阳系尘埃分布草图（见这两页上的插图）。可能形成于火星轨道靠近太阳一侧的顽辉石球粒陨石，必定位于少尘区，因为这些陨石几乎没有有壳层或边缘的粒状体，而且就算有边缘也很薄。距离太阳更远一些的普通和R球粒陨石，则显示出了更多尘埃的迹象——在陨石的粒状体中，拥有火成边缘的比例更高，其边缘也要比顽辉石球粒陨石的更厚。

碳粒陨石所在的区域尘埃密度最大，因为在这类陨石中，粒状体最大，拥有二级壳层和火成边缘的粒状体最多（这些陨石又被称为CR、CV和CK类型）。而在CM和CO碳粒陨石所处的、距离太阳更远的区域，尘埃密度则会逐渐降低（这些类型的陨石中，粒状体要小得多，具有二级壳层和火成边缘的粒状体也少得多）。在更遥远的CI型碳粒陨石所处的区域，尘埃基本绝迹，因为这类陨石完全不含有粒状体（然而它们也是真正的球粒陨石，因为分类的主要判据是拥有和太阳非挥发性元素相似的化学组成）。

根据这幅星云尘埃分布图，我得出结论，太阳系早期可能和今天观测到的许多金牛T星（与太阳相似但还未进入稳定氢燃烧状态的年轻恒星）类似。这一尘埃分布模式，与科学家在数颗金牛T星周围的原行星盘中观测到的结果相同。由于这些原行星盘的质量（约为宿主恒星质量的2%）和太阳星云的质量相似，因此我们可以把这些盘当做粒状体和球粒陨石形成阶段的一个太阳星云模型。

关于热源的争议

然而，是什么过程产生了粒状体仍不清楚。任何粒状体形成模型首先得解释的事情就是，反复熔化是如何发生的。这个过程必须是普遍存在的，否则粒状体不会出现在几乎每一种球粒陨石中。不幸的是，还没有找到令人信服的、能解释粒状体所有性质的加热机制。这么多粒状体的多次熔化排除了任何“一锤子”现象，例如来自深空的超新星激波或者是伽马射线暴。要形成粒状体，热源必须要满足两个条件：一方面，这些热源要完全熔化一些粒状体，但另一方面，它们又要能仅熔化一些粒状体的尘埃薄幔，而不触及粒状体内部。一些科学家提出，闪电这样重复出现的脉冲式热源也许可以满足上述条件，但对于在太阳星云中产生闪电的可能性，科学家还有不同意见。

在天体物理学家中，目前较流行的粒状体形成模型涉及太阳星云中的激波加热。例如，当有物质从外部落入太阳星云中，就会产生激波。激波在星云多尘区域里传播时，就会产生足够的热量，使粒状体熔化。然而，“激波模型”自身也有问题。首先，科学家在原行星盘中尚未观测到激波，它们是否存在还没有证实；其次，激波会一次加热大量的粒状体，但似乎无法仅熔化单个粒状体的外表面（以此来形成二级壳层和火成边缘），而使粒状体内部仍处于温度相对较低的状态；第三个显而易见的问题是，作为一个局部现象，激波似乎无法在太阳星云的不同区域中制造出粒状体来。

50年前，陨石科学家约翰·A·伍德（John A Wood）评论到：“直到最近，我们才开始把粒状体当作实体来研究。它们携带着丰富的信息，可以从中了解它们产生的过程。我们也许能就此了解太阳星云的性质和演化、行星的形成、太阳演化的一些阶段以及所有这些过程的发生时间。”过了半个世纪，科学家仍有许多东西需要了解，但这些太阳系的原初信使所传递的图像终于开始变得清晰。

本文译者：谢懿在南京大学天文与空间科学学院获得天文学博士学位，曾在美国密苏里大学哥伦比亚分校物理与天文学系做访问学者，目前在南京大学任教。