狂野之旅:彗星樣本或有助於限制太陽系早期演化

星塵號探測器帶回地球的維爾德2號彗星的粒子似乎經歷了漫長而遷徙的一生


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那些劃過地球附近的彗星,是來自太陽系外寒冷遙遠區域的訪客。這些冰冷、塵土飛揚的天體在那裡形成於數十億年前,遠離太陽的熱量和輻射,因此長期以來人們認為它們是由太陽系形成過程中剩餘的未受汙染的碎片組成。但是,一項對維爾德2號彗星粒子的新分析表明,該微粒形成於靠近太陽的地方,然後在太陽系開始形成數百萬年後遷移到外部,被彗星捕獲。與對其他樣本的類似研究一起,這項新發現加強了一種理論,即起源於柯伊伯帶的彗星(柯伊伯帶是冥王星軌道及其以外的遙遠冰冷碎片帶)包含比太陽系原始顆粒形成時間稍晚,且更靠近太陽形成的碎片。

詹妮弗·馬澤爾,加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的宇宙化學家,和她的同事們用一點天體化學法證學證實了這個時間線。馬澤爾和她的合作者分析了名為Coki的小粒子,該粒子由NASA的星塵號任務捕獲並帶回地球。星塵號於2004年訪問了維爾德2號(發音為“Vilt 2”),現在正前往於2011年與坦普爾1號彗星相遇。但在2006年,該航天器掠過地球以運送其從維爾德2號收集的樣本,彈射出一個46公斤的艙體,降落傘降落到猶他州沙漠。

一些樣本,包括Coki,帶有高溫形成過程的痕跡,類似於在一些隕石中看到的富含鈣和鋁的內含物(CAI)。這些CAI被認為形成於非常早期的太陽系中暴露在太陽熱量下的環境中超過45億年前,像Coki這樣的熱鍛粒子表明,彗星不僅包含太陽系形成的原材料,還包含一些在遷移到柯伊伯帶之前在內太陽系中至少經過部分處理的材料。

2月25日科學雜誌線上發表的一項研究中,馬澤爾和她的共同作者透過尋找放射性鋁同位素的衰變產物,介紹了粒子形成年代的測定結果。(同位素是具有不同中子數,因此具有不同原子質量的元素種類。)鋁26,比穩定的普通鋁27少一箇中子,衰變為鎂26,半衰期約為70萬年——在天文時間尺度上相對較短。但是,儘管Coki粒子包含鋁27,但它不包含來自鋁26放射性衰變的任何可檢測到的鎂26。因此,馬澤爾和她的同事得出結論,該粒子形成於太陽星雲(新生太陽周圍的原始雲)中所有鋁26都已衰變之後。

這表明Coki的形成年代大約在最早的CAI形成後170萬年或更久,這使其在46億年前的太陽系時間線上處於相當早期的位置。但是,Coki在太陽系演化數百萬年後形成,後來遷移到柯伊伯帶這一事實有些令人驚訝,表明某種向外轉移過程可能已經持續了數百萬年。“這篇論文的新穎之處和有趣之處在於,這是我們第一次能夠獲得對時間的一些估計,”馬澤爾說。“即使它是一個非常古老的物體,並且形成於非常靠近太陽的地方,但在它被拋入彗星形成區域之前,它在內太陽系中經歷了一段更長的歷史。”

約瑟夫·努特,美國宇航局戈達德太空飛行中心(位於馬里蘭州格林貝爾特)的天體化學家,他沒有參與這項新研究,他說,在此分析之前,沒有確鑿的證據支援如此晚期的向外遷移。在太陽系歷史的那個階段,太陽和柯伊伯帶之間會存在大型天體,它們的引力將使它們難以繞過。“星雲形成一百萬或兩百萬年後發生的事情之一是木星的形成,”努特說。“而木星將是一個巨大的障礙。”

努特稱同位素分析是“偉大的工作”,但指出這種解釋——即物質在太陽系中向外移動的時間出奇地長——依賴於一個關鍵的假設即鋁26在整個星雲中均勻分佈。如果鋁26的濃度在空間或時間上存在變化,那麼同位素作為原子鐘的用途就會變得混亂。事實上,一些模型提出,鋁26可能是由附近的超新星或其他過程注入到太陽星雲中的,這意味著Coki可能只是在同位素可用之前形成的。

“除非你選擇那些特定的模型之一,否則這不是一個確定的時間框架,因此他們選擇的模型基本上意味著星雲中的運輸持續了數百萬年,”努特說。“但是,如果他們選擇的模型是鋁26和其他放射性元素是在稍後某個時間注入的,那麼他們分析的CAI碎片可能是最早形成的CAI碎片之一。”

馬澤爾說,同位素濃度的空間變化比時間變化更令人擔憂。“僅從隕石來看,我認為我們有一些相當好的證據表明,並沒有發生大規模的後期注入,”她說。“我認為擔心的是,如果鋁26沒有均勻分佈,那麼星雲的某些部分可能從未有過,也永遠不會有。” 雖然馬澤爾說不能排除這種情況,“但每次我們分析新事物時,我們似乎都會得到一個非常一致的故事。”

無論其含義如何,努特表示,Coki分析為解開太陽系的歷史提供了一個重要的資料點。“在太陽系的化學成分方面,將非常非常高溫下形成的東西輸送到那麼遠的距離確實意義重大,”他說。努特補充說,這種運輸的持續時間和效率,以及它移動的物質體積,對哪些種類的化合物播種了太陽系,甚至可能對生命的先驅如何分佈到行星產生了影響。

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