並非所有小行星都像好萊塢太空歌劇和科幻電子遊戲中看到的那樣，是由岩石碎塊堆積而成。有些是由更堅硬的物質構成：鐵和鎳，這些原材料集中在世界緻密、隱藏的中心。我們太陽系中的這些重金屬成員被認為是長期消失的星球核心被巨大撞擊破碎後形成的碎片，是來自時間和空間深處，否則無法接近的使者，它們存在於數十億年前的過去——或世界表面數千公里之下。除了實際訪問這些奇異的物體，沒有其他方法可以直接研究行星的這些至關重要的組成部分。
這就是為什麼NASA現在正致力於向靈神星，太陽系中最大的金屬小行星發射探測器。同名的航天器最早將於2022年發射，它將圍繞這顆直徑226公里的鐵鎳巨獸執行，以期瞭解它和其他金屬小行星在組裝我們所知的太陽系中所扮演的角色。通過了解靈神星是如何形成的，科學家們或許能夠解釋包括我們熟悉的地球在內的，近在咫尺和遙遠世界的內心深處。然而，當航天器抵達時，它可能會迎接一些截然不同的景象：一個由“鐵火山活動”塑造的地貌，那是暴露的核心冷卻時發生的液態鐵噴發。
最近的兩項研究表明，曾經有一段時間，這種迄今為止未知的過程發生在靈神星及其近親身上。儘管其產物尚未被直接觀察到，但已經清楚的是，這種火山活動與科學家們以前遇到的任何事物都不同。正如布朗大學行星科學助理教授布蘭登·約翰遜所說，這種重金屬噴發風格就像“將火山活動調到最大。”
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瞭解這種噴發是否真的發生在靈神星上，不僅僅是為了滿足科學家的好奇心。找到鐵火山活動的直接證據可以改寫行星核心的起源故事，同時可能為地球物理科學中長期存在的謎團提供新的答案。因此，搜尋開始了。 琳迪·埃爾金斯-坦頓，NASA 靈神星任務的首席研究員現在表示，她和她的同事們將搜尋金屬小行星表面古代鐵火山活動的跡象，希望能有“令人難以置信的美麗”的發現。
冷靜下來，靈神星
靈神星可能經歷了極其動盪的45億年。它形成於太陽系誕生之初，可能曾經有一個矽酸鹽岩石外殼包裹著一個金屬核心。然而，它註定無法成為一顆成熟的行星。
倫敦帝國學院高階講師兼隕石專家馬修·根格說：“早期的太陽系有點像碰碰車。” 許多其他胚胎世界會在數百萬年的時間裡撞擊原靈神星，剝離除熔融核心之外的所有物質。然後，這個核心繼續冷卻並最終凍結，留下了鐵鎳靈神星。
這種破壞性歷史的極端性引起了一些科學家的思考。加州大學聖克魯茲分校行星科學研究生雅各布·亞伯拉罕一直在思考NASA即將對靈神星的訪問，並想知道金屬小行星的冷卻歷史會是什麼樣的。
亞伯拉罕和他的導師弗朗西斯·尼莫採用了簡化金屬小行星的物理性質，將它們輸入一系列數學模型，並觀察瞭如果它從外向內冷卻會發生什麼。在變成一個剝離的金屬核心後，這顆小行星逐漸凍結和收縮，在其外殼上產生裂縫。內部熔融鐵的口袋，被這個堅固的外層困住，會像所有天然漂浮的流體一樣，試圖透過裂縫逃逸到表面。這些虛擬小行星的大小與靈神星相當，這讓亞伯拉罕和尼莫懷疑同樣的場景也可能在現實中上演。
液態鐵熔岩聽起來可能很奇怪，但“如果鐵是唯一一種無法從某物中噴發出來的東西，那將是不可思議的，”亞伯拉罕說。不僅數學支援這一觀點——水星的古代歷史也支援。
行星或小行星的冷卻方式對其演化至關重要。地球形成超過45億年後，其核心仍在冷卻，因為我們星球的巨大體積有助於減少內部熱量向外流失，使其成為一種比喻意義上的涓涓細流。然而，矮小的水星卻有所不同。它的小尺寸使其內部熱量逸出，導致其相對超大的鐵鎳核心凍結和收縮。這種收縮向內拉動上覆的地幔和地殼，導致整個行星表面收縮，關閉了曾經是岩漿向上流動的通道的裂縫。地表火山活動本應停止——然而水星仍然帶有收縮後火山活動的跡象（儘管是古代的）。
看來岩漿可以透過通道逃逸到表面，即使許多裂縫被擠壓關閉。如果這適用於水星，那麼它也可能適用於靈神星。“水星是我們解釋這種火山活動為何有效的最主要例子，”亞伯拉罕說。他的研究即將在地球物理研究快報上發表。
在進行這些計算的同時，約翰遜和他的同事們也在思考靈神星的奇特之處。對靈神星密度的最佳估計只有鐵隕石密度的一半左右，因此要麼這顆小行星多孔得令人費解，要麼其他一些因素深刻地改變了它的內部結構——但究竟是什麼呢？約翰遜陷入了“科學思想的兔子洞”，開始重建靈神星究竟是如何冷卻的機制。
約翰遜今年早些時候在德克薩斯州伍德蘭茲舉行的第50屆月球與行星科學會議上介紹了他的獨立研究。他的團隊使用了類似的建模方法，提出了幾乎相同的假設，發現熔融的富硫鐵和鎳可以透過火山脈絡傳播到地表。他們還認為，如果靈神星仍然有一個岩石地幔層，並且鐵火山活動將深層內部的金屬轉移到地表，那麼靈神星異常低的密度就可以得到解釋。
此外，在太陽系早期，放射性同位素鋁-26使許多大型岩石或金屬天體的核心保持熔融狀態。約翰遜說，這也將成為“鐵火山活動的驅動力”。
重金屬火山活動
埃爾金斯-坦頓解釋說，她和她的同事之前研究過富硫岩漿的行為，但這些關於富鐵流體的初步計算是新穎的，“真的令人興奮”。她說，它們是“真正能清晰地揭示天體熱歷史的線索，而其他事物則不然”，而且其影響可能是深遠的。
鐵火山活動可能會改變行星的成分。根格指出，小行星的引力場相當弱，這意味著它們的許多物質可以被噴射到太空。將核心物質透過鐵火山活動噴射到太空將使這種物質移除更加高效。如果一個暴露的核心與其他岩石物質聚集在一起並形成一顆行星，那麼這顆行星的成分將與那些核心從未被早期太陽系的暴力活動暴露出來的行星截然不同。
根格認為，這適用於核心中的微量元素，如氧和硫，其中一些對於生物過程至關重要。如果鐵火山活動將它們排出，那麼這可能會限制由此產生的行星上生命的出現和進化。
鐵火山活動還可以解釋在地球隕石樣本中看到的奇怪特徵。橄欖隕石是一類被認為是核心和地幔物質混合物的隕石，但這種混合物實際上是如何產生的還遠不清楚。約翰遜認為，鐵火山活動可能是核心和地幔物質混合在一起的一種方式。與此同時，球粒隕石——常見的石隕石——也佈滿了圓形、閃亮的內含物，稱為球粒，其中一些富含鐵鎳。儘管人們懷疑它們是在富含金屬的小行星相互撞擊時形成的，導致液態金屬像霰彈一樣噴射出來，然後在寒冷的深空中瞬間凍結，但根格認為，這種球粒可能是鐵火山活動的結果。
說到隕石，仍然存在許多謎團。畢竟，隕石只是較大天體的彈片，埃爾金斯-坦頓說。“更多關於更大的拼圖可能是什麼的想法將有助於我們理解我們已經擁有的碎片，”她說。
古代鐵河
證據在於結果。NASA火山學家帕特里克·惠利說，現代靈神星上的鐵火山活動將是“一個很大的驚喜”，他還補充說，如果內部深處仍有足夠的放射性同位素在衰變，這並非不可能。儘管如此，靈神星內部積聚的熱量更有可能在億萬年前就已滲出。
然而，即使在今天，它的殘餘物可能仍然存在——即使沒有人期望看到一座完全成熟的死火山。液態鐵的粘度非常低，因此它更可能在裂縫附近積聚，而不是堆積起任何類似於熟悉的矽酸鹽基火山渣錐的東西。任何鐵斑塊都可能是仍然附著在靈神星上的火山噴濺物，開放大學行星地球科學教授大衛·羅瑟裡說，“如果我們看到它們，那將非常具有啟發性”。然而，這種地貌更可能被數百萬年來的撞擊轟擊所摧毀。他保守地猜測，“當我們觀察靈神星時，我們不會看到看起來像死火山的明顯跡象……但我很樂意被證明是錯的。”
對靈神星磁場的測量可能為尋找過去的液態鐵噴發提供更有希望的途徑。從外向內的冷卻機制可能使靠近地表的某些晶體火山礦物保留部分凍結液態核心的明顯磁性印記。這些相同的礦物也將帶有獨特的色調、紋理和地球化學指紋，以將它們識別為鐵火山活動的產物。當NASA的航天器進入靈神星軌道時，這些型別的資料有望觸手可及。
儘管亞伯拉罕認為，大量收集的隕石可能是尋找鐵火山活動證據的更有效場所，但他仍然對從那個古老的金屬世界收集到的證據抱有希望。金屬隕石通常是在世界大小的慢燉鍋中經過億萬年的逐漸混合、還原和凝固的結果。相比之下，鐵火山熔岩是初始成分的快速翻炒版本——因為它們應該更接近核心原始的、原始的化學成分。這意味著來自靈神星的樣本可能記錄了核心隨時間演化的過程，揭示了行星誕生漫長而模糊的歷史中失落的一章。
這一切都有點推測性，鐵火山活動可能存在目前僅基於一些數學模型。由於我們尚未訪問過金屬小行星，因此任何人很難有信心地說我們最終可能會發現什麼。“我們可能太天真了，不知道我們將會學到什麼，”羅瑟裡說。“我們發現的東西可能不是我們想象的東西。”