地球表面不斷地被太空塵埃灑滿。外星物質在其數十億年的歷史中一直不斷地降落在我們的星球上——這種天體陣雨每天都在持續。較大的岩石和金屬塊是最引人注目的例子，它們在火熱地穿過高層大氣時呈現出耀眼的流星，偶爾會到達地面成為隕石。但落到地球上的大部分太空物質都非常小，尺寸在亞毫米級。
過去，研究人員試圖估量隨著時間推移到達地球的這種微隕石的數量，但在一個不斷攪動自身塵埃的星球上，解析宇宙塵埃是困難的。
現在，在一項最近發表在《地球和行星科學通訊》雜誌上的研究中，一個測量南極洲原始雪地中微隕石積累的團隊提供了迄今為止對外來天體碎片進入量的最佳估計。透過清潔的取樣技術和塵埃沉積物的精確年齡，研究人員計算出每年約有 5,200 公噸的微隕石降落到地球上。
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太空塵埃的理想之地
格陵蘭島和南極洲等常年被冰雪覆蓋的極地地區是微隕石研究的熱點，因為它們地理位置偏僻且環境穩定。來自地球其他地方的少量物質到達這些偏遠地區，使得幾乎不變的冰蓋能夠吸收太空塵埃，並將汙染降至最低。持久的冰層也為研究人員提供了一種標記微隕石年齡的方法，以年復一年的年度積雪層來表示。
雖然兩極都具有微隕石研究的潛力，但巴黎-薩克雷大學的宇宙化學家讓·杜普拉更喜歡南極冰。“南極是迄今為止最好的，因為你被海洋包圍——你與大陸完全隔離，”本研究的合著者杜普拉說。
在過去二十年中跨越三個野外考察季，杜普拉和他的同事訪問了位於南極洲 Dome C 地區法意聯合康科迪亞站，以收集微隕石。Dome C 位於大陸內陸 1,100 公里處，海拔超過 3 公里，實際上是收集宇宙塵埃的完美地點。
巴黎-薩克雷大學的博士生、該研究的主要作者朱利安·羅哈斯指出，Dome C 的降雪“累積率相當低，但足以遮蔽和儲存顆粒”。羅哈斯說，每年積雪層的薄度使研究小組能夠在一個地點收集數十年的年度微隕石沉積物，而無需融化大量的冰。
南極微隕石。圖片來源：© J. Duprat, C. Engrand 和 CNRS
宇宙塵埃的特寫
研究人員從 1995 年之前的沉積物開始他們的工作，然後他們挖掘更深、更早的層。這是為了避免自 1996 年康科迪亞野外站正式建立以來可能產生的人為汙染。
多年來，杜普拉逐漸意識到研究人員自己也在無意中將少量但重要的陸地塵埃帶到現場，汙染了他們的樣本。對收集和處理的仔細調整最終解決了問題：每個雪樣本都密封在聚乙烯桶中，然後運送到潔淨室進行融化和篩分。
在從雪中過濾出塵埃後，研究小組使用了電子顯微鏡、X 射線光譜學和其他技術來分析 2,000 多個顆粒，尺寸範圍從 12 微米到 700 微米不等。來自太空的塵埃通常會顯示出幾個明顯的特徵——例如，球形（來自進入大氣層時的融化）或明顯非地球的化學同位素分佈。一系列分析方法使研究小組不僅能夠識別宇宙塵埃，還能追蹤每個外星粒子的最可能來源。
羅哈斯說：“我們試圖專注於未融化的微隕石，這些微隕石在其他收藏品中很少被收集到，因為它們非常脆弱，很容易被破壞。” “我們的收集協議允許我們儲存它。”
研究小組發現，超過 60% 的塵埃可能來自木星族彗星，這些彗星受到這顆巨行星引力的影響，軌道週期縮短至 20 年以下。大約 20% 的塵埃可能來自主小行星帶。“來自彗星的塵埃比來自小行星的塵埃更蓬鬆，”羅哈斯說，並補充說彗星物質也往往富含有機物，這在木星族彗星中很典型。
美國宇航局宇宙塵埃收藏館的行星科學家和館長馬克·弗里斯說：“隕石和宇宙塵埃是這些非常好的互補性天體物質集合。”他沒有參與這項研究。他解釋說，小行星往往是內聚的岩石體，會在地球表面留下碎片和碎塊。“彗星不像小行星那樣具有內聚性，”他說，並補充說，鬆散的“蓬鬆”物質很容易分解，導致宇宙塵埃的沉積。
弗里斯說，來自宇宙塵埃的有機化合物可能對地球上生命的起源至關重要。他補充說，降落的太空塵埃“可能為地球表面增加了相當數量的揮發物總量：水、碳和其他對生命起源前的化學和生命的興起非常重要的物質。” “瞭解這些顆粒的完整成分範圍，可以讓我們瞭解太陽系內部——特別是小天體的成分快照。”
一旦研究人員成功地提取了塵埃，並根據 Dome C 年度降雪設定的逐年時鐘繪製了其丰度圖，他們就可以計算出進入的外星塵埃的通量。當研究小組將 Dome C 的測量結果擴大到整個地球時，他們發現每年有 4,000 至 6,700 公噸的太空塵埃降落到地球上。
塵埃噸位範圍本質上是一個統計問題，反映了從一系列有限的區域性測量中推斷全球效應的內在困難。“根據雪的體積，僅僅透過計算顆粒，您就會預期存在一定的不確定性，”羅哈斯說。
美國海軍研究實驗室的地質學家凱特·伯吉斯沒有參與這項研究，但她對這項研究印象深刻，但她警告說，它的估計不可能是最終結論。“計數成百上千的顆粒——要嘗試獲得足夠的顆粒以獲得足夠好的統計資料，從而消除該數字中的任何統計誤差，這需要做很多工作，”她指出。
伯吉斯特別指出，來自彗星的塵埃輸入量會隨著時間推移而波動，這取決於軌道力學的變化、彗星出氣率以及許多其他不一定被很好理解的變數。“這些[是]瞬態來源，”她解釋說。“如果它們來自特定的木星族彗星，這些彗星會週期性且相對規律地經過，但不是持續不斷地經過。”
一小步
雖然外星塵埃界的人們都知道每年有數千公噸的塵埃降落在地球上，但伯吉斯讚揚研究人員“能夠比之前的一些研究更嚴格地限制這些微隕石積累的時間量”。
她說：“從我們這個圈內人士的角度來看，這是一項非常出色的工作。” 弗里斯表示贊同，並補充說，“科學界長期以來一直渴望獲得該團隊收集的這種樣本”——也就是說，新鮮、乾淨且以細緻的精確度和謹慎收集的樣本。
巧合的是，今年是美國宇航局宇宙塵埃收藏館成立 40 週年。弗里斯說，他的同事已經在想他們如何才能從南極洲獲得一些這些珍貴的標本。“科學家們正在尋求這些，”他說。“這非常及時。”
本文的一個版本，標題為“塵埃落定之時”，經過改編後收錄在 2021 年 7 月號的《大眾科學》雜誌中。