六千六百萬年前，地球經歷了非常糟糕的一天。
一個山脈大小的撞擊體以每秒數公里的速度從天而降，猛烈撞擊瞭如今墨西哥尤卡坦半島淺海區域。這次撞擊釋放的能量相當於 1 億顆核彈，在地球地殼上鑿出了一個寬 200 公里、深 20 公里的疤痕，並引發了巨大的地震、海嘯和火災風暴。全球氣溫驟降，食物鏈崩潰，遮天蔽日的煙塵和汽化岩石遮蔽了太陽，導致當時一半以上的物種（包括恐龍）滅絕。從灰燼中倖存下來的物種包括我們的哺乳動物祖先，為地球生命的新紀元奠定了基礎。
這個行星大災變一直籠罩在神秘之中，直到其中一位倖存者的遙遠後裔，物理學家沃爾特·阿爾瓦雷斯在 20 世紀 70 年代和 80 年代拼湊出了它的輪廓。阿爾瓦雷斯和他的同事們在世界各地 6600 萬年前的岩石中發現了一層碎片，這層碎片富含銥等元素，這些元素在地殼中極其稀少，但在小行星和彗星中卻很豐富。他們最終將這層碎片的起源與導致恐龍滅絕的撞擊以及現在被淹沒的巨大疤痕聯絡起來：一個名為希克蘇魯伯的地點，阿爾瓦雷斯將其稱為“末日隕石坑”。但幾十年來，科學家們一直在爭論更精細的細節：撞擊體是小行星而不是彗星嗎？如果是，又是什麼型別？它來自浩瀚宇宙的哪個地方？以及，具有指示意義的銥和全球物種大滅絕是否有可能以某種方式是“本土製造”的，並非來自撞擊，而是來自巨大的火山爆發，火山爆發從地球地幔的儲層中噴射出富含稀有元素的岩漿？
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8 月 15 日發表在《科學》雜誌上的一項研究現在提供了迄今為止最確鑿的答案，透過對其碎片中發現的釕同位素的極其精確的測量，繪製了這場劃時代事件的深層起源。這項工作最終表明，與阿爾瓦雷斯地層中的銥和其他稀有元素一樣，這種釕並非來自火山活動，而是源自明顯的外星來源。同位素丰度的細微變化強烈表明，傳遞釕的希克蘇魯伯撞擊體不是彗星或普通的巨型太空岩石，而是一顆明顯的“碳質”小行星，富含碳和有機化合物。
“我發現這些結果非常令人信服，”亞利桑那州立大學的天體物理學家史蒂夫·德施說，他沒有參與這項工作。“它們與許多其他證據非常吻合。”這些證據包括早期對阿爾瓦雷斯地層中其他同位素和礦物質的測量，以及對少數科學家設法從古代沉積物和化石中回收的地球化學研究破碎撞擊體的原始碎片。德施說，總的來說，現有證據表明，撞擊體“可能不是彗星”。但是，絕對的確定性將需要對大量原始彗星物質進行更詳細的同位素研究（研究人員尚未獲得這些物質）。
馬里蘭大學的地球化學家理查德·J·沃克說，這篇新論文的“解釋並不新鮮”，他與這項工作無關，他主要指的是 1998 年的一項研究，該研究基於對鉻同位素的分析得出了類似的結論。“但這項研究提出了一個更加確鑿的論斷，即希克蘇魯伯撞擊體是一顆碳質小行星。”
這種小行星相對罕見。據認為，它們形成於木星之外的外太陽系，在我們的世界本身合併之前，在巨行星之間軌道相互作用將它們大規模拋入內太陽系的小行星帶之後，才到達那裡，那時距今已有 45 億多年，就在太陽開始發光後幾百萬年。科學家說，從冰冷的外太陽系大量匯入有機物質，可能為新生地球提供了生物學的關鍵化學基石，以及現在充滿海洋的大部分水。從宏大而近乎詩意的意義上講，恐龍的滅絕和哺乳動物的興起是在億萬年前就由同一個過程決定的，這個過程首先幫助啟動了我們星球上的生命。
“這次撞擊徹底改變了我們星球的面貌，並導致了哺乳動物生命的出現，”這項新研究的主要作者、德國科隆大學的地球化學家馬里奧·費舍爾-戈德說。“它源於太陽系早期發生的一系列事件，因此在 40 多億年後，你和我才能夠坐在這裡進行這次對話。”
釕是一種銀白色金屬，與銥和其他“鉑族”元素一樣，在地表或地表附近幾乎完全找不到。這種稀缺性是因為這些是親鐵元素，或者說喜鐵元素，當我們新形成的地球還只是部分熔融的爐渣球時，它們與地球內部的鐵和其他緻密金屬結合，沉入形成難以接近的地核。這意味著現在地殼中幾乎所有的鉑族元素都是後來隕石、小行星和彗星撞擊我們冷卻後的地球而帶來的。這使得這些元素成為地球大部分歷史中撞擊事件的極佳示蹤劑。費舍爾-戈德說，對於希克蘇魯伯事件，“我們基本上可以假設在全球邊界層中發現的釕 100% 來自撞擊體本身。”
費舍爾-戈德說，釕特別有用，因為它提供的同位素比大多數鉑族元素都多，可以進行檢查。反過來，這些同位素與不同的天體物理產生途徑有關——例如，有些同位素透過短壽命大質量恆星的超新星爆炸迅速形成，而另一些同位素則在中等大小恆星緩慢醞釀的內部逐漸組裝而成。研究人員可以計算出應該從這些過程中產生的同位素比率，從而讓他們交叉檢查觀察到的丰度變化是否與此類宇宙效應有關。
所有這些同位素都可以在星塵斑點上進入巨大的分子云，最終結合到行星、小行星和彗星中，而行星、小行星和彗星是在這些雲坍縮形成新的恆星系統時誕生的。最重要的是，大約 15 年前，科學家們發現小行星表現出一種奇特的同位素二分法：在木星內部形成的更多石質小行星具有一種同位素比率排列，而在更遠處形成的碳質小行星則表現出另一種排列。總而言之，這是一個利用來自任何給定撞擊體微量同位素材料的丰度變化來確定其是否為碳質，從而確定其形成的大致區域的方法。
加利福尼亞大學聖地亞哥分校斯克裡普斯海洋研究所的地球化學家詹姆斯·戴說：“同位素中這些恆星核合成變化有助於追蹤太陽系不同部分在其早期形成過程中的演化。”他是這篇論文的審稿人。“令人興奮的是，馬里奧和他的團隊已經使用這些釕同位素作為指紋來識別希克蘇魯伯撞擊體的來源。”
在他們的研究中，費舍爾-戈德和他的同事們總共使用了一種稱為多接收器電感耦合等離子體質譜法的先進技術，分析了七種釕同位素。他們從全球三個不同地點的臭名昭著的恐龍滅絕層以及兩個碳質隕石和過去 5 億年中發生的來自不同撞擊的五個其他隕石坑中取樣。此外，他們還從更古老的岩石（大約 35 億年前）中尋找釕，這些岩石包含與那個遙遠時期的大量撞擊相關的碎片。
費舍爾-戈德說：“透過測量所有七種釕同位素，並檢查它們的比率是否與天體物理過程預期的模式相符，我們可以區分並排除地球效應。”“這就是為什麼這就像指紋一樣——這些比率是由恆星內部的熱核聚變等因素設定的，地球上的任何過程都無法複製。我們測量了，我們檢查了，一切都對齊了……因此，對於希克蘇魯伯事件，我們的結果不僅表明它是一顆碳質小行星，而且還徹底否定了這些鉑族元素來自火山活動或任何其他地球起源的想法。”
這項工作非常艱苦，需要從更大質量的岩石中費力地分離出僅僅納克級的釕，而釕在岩石中的濃度非常低，僅為十億分之幾。
沃克說：“對於許多這些樣品，我們談論的是取一塊拳頭大小的材料，20 到 30 克的岩石，然後提取出你可能不用顯微鏡就看不到的小點。”“這就是你必須做的，才能達到這種令人難以置信的高精度同位素測量。”
費舍爾-戈德承認：“這是一項艱苦的工作，”他指出，他已經花了十年時間來磨練他的技術。“我是德國人，所以我通常很謙虛，但我可以放心地說，我是這方面的世界領先專家——因為它太乏味了，地球上只有少數人在做這件事。”
所有這些乏味的工作都得到了回報。在過去 5 億年研究的撞擊事件中，只有希克蘇魯伯顯示出明顯的碳質外太陽系釕同位素混合物；其他五個撞擊事件帶有起源於更靠近太陽的石質撞擊體的特徵。最古老撞擊事件的釕比率也表明是碳質撞擊體——這一發現與其他大量證據一致，這些證據表明，在地球歷史的最初十億年左右，地球受到了來自外太陽系的物質的轟擊。大多數專家說，這源於一種奇怪的動力學不穩定性，這種不穩定性在太陽系形成後不久重新排列了巨行星的軌道，將撞擊體陣雨送向太陽。費舍爾-戈德和其他人說，未來的工作可能包括研究來自各種來源（包括彗星和月球隕石坑）的釕和其他同位素，以進一步闡明地球漫長曆史中的關鍵撞擊事件，並查明導致恐龍滅絕的碳質小行星的確切亞型。
仍然存在的兩個顯而易見的問題是，希克蘇魯伯撞擊體在從外太陽系噴射出來數十億年後是如何到達地球的，以及下一次類似規模的末日岩石何時會撞擊地球。科羅拉多州博爾德市西南研究所的行星科學家比爾·博特克沒有參與這項研究，他認為他和他的同事已經在 2021 年發表的一篇論文中提出的動力學建模中找到了這兩個答案。“我們提出了一個很好的動力學原理，說明撞擊體來自哪裡——從小行星帶的中心到外圍，”博特克說。“我會說我們的工作仍然是最先進的。”
2021 年的論文還估計，希克蘇魯伯級別的天體應該每 2.5 億到 5 億年撞擊地球一次——這表明我們在近期內不太可能面臨另一次災難性的小行星撞擊。