地質學家如何揭示太陽系的秘密

墜落到地球或被刻意帶到地球的岩石,實際上是我們近距離研究行星和小行星的唯一途徑

NWA 5000隕石起源於月球。

Steve Jurvetson Flickr (CC BY 2.0)

在所有科學中,天文學尤其出色地闡明瞭我們在宇宙中的位置。但鮮為人知的是,我們對外層空間的許多理解都來自另一個學科:地質學。如果問某人說出我們用來揭示宇宙秘密的工具,他們可能會說是望遠鏡,而不是顯微鏡岩石錘

但如果你仔細想想,幾乎所有我們能從外太空獲得的物質都是岩石。是的,太空硬體的碎片有時會安全返回地球;是的,來自太陽風的粒子在2004年被NASA的“起源”號任務安全帶回地球。但是,我們地球上擁有的外星岩石數量超過了所有這些的總和。我們有來自月球的岩石,這要歸功於阿波羅月球任務;我們也有月球岩石來自火星的岩石,它們被小行星撞擊這些天體表面而噴射到太空,最終漂流到我們星球附近並以隕石的形式墜落到地球。我們有來自彗星的岩石,這要歸功於“星塵”號任務;以及來自小行星帶,來自天空如雨點般落下的隕石。我們可能很快就會擁有來自小行星貝努的岩石,因為NASA的OSIRIS-Rex樣本返回任務已經成功著陸。我們可以研究小行星以超音速撞擊地球表面所造成的撞擊坑遺蹟。

原始太陽系碎片


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事實上,岩石實際上是我們能夠掌握外層空間碎片的唯一途徑。望遠鏡和機器人太空任務雖然功能強大,但也只能帶我們走這麼遠,而從天體岩石——尤其是隕石——我們瞭解了太陽系及更遠的地方。雖然隕石在許多人心中佔有特殊的地位(包括我),但它們仍然是岩石,正如老話說的那樣,沒有人比地質學家更瞭解岩石。因此,就像我們對待任何古老的地球岩石一樣,我們使用地質學的工具來理解來自太空的岩石。

所有恆星都始於星雲在引力作用下坍縮;最稠密的部分,在中心,變成了恆星本身;其餘部分形成一個旋轉的、煎餅狀的氣體和塵埃雲,稱為原行星盤。這些盤開始結晶成微小的岩石塵埃微粒,最終聚結形成小行星、彗星和行星。我們透過ALMA哈勃等望遠鏡對即時發生的這個過程進行了望遠鏡觀測,但我們只能從數光年之外瞭解這麼多。

隕石為我們提供了微觀視角,瞭解我們太陽系形成的原行星盤,因為許多隕石仍然儲存著這些原始的岩石塵埃微粒。毫不誇張地說,它們是原行星盤的碎片。最早認識到這一點的人之一是英國地質學家亨利·克利夫頓·索比,他在1877年的一次講座中,“隕石是宇宙物質的殘留物,沒有聚集形成行星。” 他得出這個驚人結論是基於他透過地質顯微鏡研究地球岩石而獲得的知識和技能。索比的偉大見解永遠地改變了我們對隕石和太陽系的看法。

在過去的150年中,透過在實驗室中分離這些塵埃微粒,我們已經瞭解了它們的地質特徵,並從中自信地推斷出我們自己新生的太陽系和銀河系中其他太陽系中存在的環境型別。如果沒有隕石和關於地球岩石如何形成的知識,這些早已消失的環境將完全超出我們的能力範圍,行星系統像鐘錶一樣形成的機制幾乎不可能確定。

由於隕石是由原始物質製成的,因此隕石是我們實際上可以掌握的最古老的物體。透過對它們進行年代測定,我們為嬰兒太陽系及其內部發生的事件設定了高精度的時間尺度。我們使用與地球岩石年代測定相同的地質學工具來測定隕石的年代:放射性年代測定法。事實上,太陽系本身的年齡——4,567,000,000年(即45.67億年)——是由隕石中鈾衰變成鉛的放射性衰變定義的。專門從事岩石年代測定的地質學家(年代地質學家)已將此年齡測量到正負16萬年——相當於知道從英國曼徹斯特到美國紐約市的距離誤差在幾百米之內)。

巨大的撞擊

在離家更近的地方,地質學家——也許沒有比已故的尤金·“吉恩”·舒梅克更出名的了——在理解我們自己星球在太空中的位置方面發揮了關鍵作用。在1950年代,接受過地質學訓練的舒梅克和他的同事在亞利桑那州巴林傑隕石坑(又名“流星隕石坑”)周圍的岩石中發現了衝擊石英(一種僅在來自太空的撞擊造成的極端壓力下形成的礦物),併成為第一個明確證明其外星起源於小行星與地球碰撞的人。(當時,關於隕石坑是由小行星引起的還是僅僅是死火山的噴口的爭論。)地質測繪和更多衝擊石英的發現也使舒梅克和他的同事們確定了第二個撞擊坑:德國巴伐利亞州寬15英里的諾德林根里斯撞擊坑。舒梅克對陸地撞擊坑的研究使他在1960年代重新提出了一個古老的觀點,即月球上的隕石坑是由撞擊形成的:今天,我們知道他是對的,並且認識到月球表面確實佈滿了來自太空撞擊的疤痕。

我們也要部分感謝舒梅克帶來的阿波羅登月岩石。利用他的地質野外技能,他訓練宇航員如何採集岩石樣本;宇航員帶回的這些樣本徹底改變了我們對月球的看法。(關於這一點,唯一一位登上月球的科學家,哈里森·“傑克”·施密特,他乘坐阿波羅17號(該系列的最後一艘)到達那裡,是一位地質學家)。

1997年,舒梅克成為第一個(也是唯一一個)被安葬在月球上的人,當時他的一些骨灰被送上了“月球勘探者”號宇宙飛船。

因此,就這樣,我將改述一句老話:沒有人比地質學家更瞭解太空岩石。而且,事實證明,太空岩石(隕石和月球岩石)和撞擊坑,當透過地質學的視角觀察時,可以告訴我們很多關於宇宙的資訊。

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