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幔游”课题组

"Rocking Mantle" Group





陨石:那些最负盛名的宇宙信使

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原创 蒋云

行星科学


陨石是地外天体的碎片穿越大气层陨落到地球上的岩石样品。每年都有数百颗陨石坠落在地球的各个角落,其中绝大多数都陨落到渺茫无际的大海和人烟稀少的荒漠,只有极少数以火流星的形式出现在人口密集的地域,一闪而过,伴随有轰隆隆的爆炸声。

对于大多数人来说,这样的天文景观十分罕见,能亲眼目睹者比中了彩票大奖的人还要少。对于科学家来说,这些陨石尤为珍贵,是探索太阳系起源的重要窗口。目前除了美国国家宇航局(NASA)在阿波罗任务中带回的月球样品,以及日本隼鸟(Hayabusa)号探测器从丝川(Itokawa)小行星上返回的尘埃样品外,它们是太阳系中唯一可以直接上手研究的地外岩石样品。

陨石犹如宇宙的信使,携带着太阳系甚至宇宙形成和起源的密码,来到人间,等待科学家们去一一破解。那么,陨石中有哪些最负盛名的宇宙信使呢?



第一名

阿连德(Allende)陨石


  • 上榜理由:颠覆了人类对太阳系的认知,改写了太阳系发展历史


1969 年2月8日07:05 GMT(地方时01:05),墨西哥奇瓦瓦州阿连德村下了一场有史以来最大的碳质球粒陨石雨,回收总重量超过2000公斤,50多年来,该地区陆续还有更多的陨石碎片不断被发现。阿连德陨石被认为是“史上被研究得最彻底的陨石”原因有三:
1、陨石样本巨量(> 2000公斤),使得全世界的科学家们都可以对其开展丰富多样的研究。目前已发表了几千篇研究阿连德陨石的论文,仅在《科学》《自然》期刊上发表的文章就超过100篇。
2、千载难逢的时机。美国阿波罗载人登月计划于1969年7月发射,在此之前,世界各国的主要实验室更新了最前沿的科研装备,聚集了大量的行星科学人才,摩拳擦掌,准备迎接阿波罗11号返回的第一批月岩样品。这年年初降落的阿连德陨石如同一场“及时雨”,给了各国科学家们一个“赛前热身”的好机会,于是大显身手迅速对阿连德碳质球粒陨石开展了广泛而深入的研究。
3、科学内涵极其丰富。阿连德陨石(CV3型)含有大量的富钙富铝难熔包体(CAI),是太阳系内最早高温凝聚形成的。这些难熔包体极大地刷新了人类对于太阳系的认知:它包含许多地球上没有的新矿物如盘古矿(Panguite)等;揭示太阳系内存在氧同位素异常;由于它是太阳系内最早形成的,因此它的形成年龄代表了太阳系的年龄,精确为45.6732 ± 0.0016亿年。

阿连德陨石  

        此外,难熔包体中含有多种同位素异常如钙和铝等,具有太阳系最高丰度的26Al/27Al)初始比值(5.25*10-5),同位素分析表明26Al是红巨星、AGB星和超新星中核合成形成的,由星际风带入原始太阳分子云中。一种理论认为:超新星爆发产生的冲击波,可能诱发了太阳星云的坍缩,或促成了太阳系的形成。26Al是一个短寿期放射性核素,半衰期为70万年左右,它像陨石中安装的一个“时钟”,可以将超新星爆炸的时间确定为太阳系形成前不到200万年的时间。


第二名

默奇森(Murchison)陨石


  • 上榜理由:探索生命起源的启明星


和阿连德陨石一样,默奇森陨石也是1969年上天馈赠的宝贝。1969年9月28日,当地时间上午10时58分左右,在澳大利亚维多利亚州默奇森小镇上空,一个明亮的火球分裂成三个火团坠落,然后消失,留下一团烟雾。大约30秒后,震声响起。在超过13公里的区域中发现了许多陨石碎片,最终收集到的样品总质量超过100公斤,这便是闻名遐迩的默奇森陨石!
默奇森陨石是人类已知的最罕见的陨石类型(CM2型)之一,它原始的组分使之犹如时间胶囊,封存了早期太阳系的诸多信息。这块碳质球粒陨石,在成分上总铁占22.13%,水占12%,富含有机物,是世界上被研究最多最深入的陨石之一。目前对陨石有机物的大部分认识便来自于这块样品。已在其中发现了超过100种氨基酸,包括常见的氨基酸如甘氨酸、丙氨酸和谷氨酸,也包括一些罕见的氨基酸,例如异缬氨酸、叔亮氨酸以及二氨基酸类。默奇森陨石中含有的有机物种类很多,各类物质的含量大致为:氨基酸17~60 ppm,脂肪烃 >35 ppm,芳香烃3319 ppm,富勒烯 >100 ppm,羧酸 >300 ppm,羟基酸15ppm,嘌呤类和嘧啶类1.3 ppm,醇类11 ppm,磺酸68 ppm,膦酸2 ppm。2001年在该陨石中发现了多元醇类物质。2008年时又发现了核碱基嘌呤和嘧啶。同位素分析研究表明,这些化合物并非地球的污染,而是来自外太空。
2020年1月,《美国科学院院报》(PNAS)报道,默奇森陨石中最新发现了40个较大的前太阳系的碳化硅(Silicon Carbide)颗粒。所谓前太阳系(Presolar)颗粒,即在太阳系形成之前就已经存在的矿物颗粒。星际宇宙射线暴露年龄(Cosmic Ray Exposure Age)表明,这些前太阳系颗粒是70亿年前形成的,比我们的太阳系还早20多亿年。前太阳系颗粒是目前为止最古老的可直接测定的固体,为我们了解太阳系形成之前的银河系提供了绝妙的实物样本。
在默奇森发现的许多化合物同样也存在于地球陆地生命系统中,这些发现对于更好地认识地球上生命的诞生和演化具有非常重大的意义。有理论认为,地球上最初生命体形成的时期,正是大量撞击地球的小天体中存在的这些有机化合物,给早期地球播下了生命的种子,地球才逐渐演化成了生机勃勃的景象。如今,地球生命起源的各种学说仍在盛行,“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”,屈大夫的这句至理名言,便是科学家们对这一终极拷问的最好回答。

默奇森陨石

第三名

艾伦-希尔斯84001(ALH 84001)火星陨石


  • 上榜理由:引发全球热议火星生命


艾伦-希尔斯84001是由美国的南极陨石搜寻计划小组(ANSMET)于1984年12月27日在南极洲艾伦丘陵发现的一块火星陨石,重量为1.93千克。同位素定年结果表明,ALH 84001是目前人类获得的最古老的火星陨石之一,是41亿年前火星上古老的南部高地形成的,大约1700万年前,被一个小天体撞击后从火星表面溅射出来,克服火星的逃逸速度后,大约1.3万年前落在了地球南极的冰层之中。

1996年,ALH 84001火星陨石登上全球新闻头条。由NASA领导的一个科学研究小组,在《科学》杂志上发表了一篇文章,声称这块陨石含有火星细菌的微化石。在扫描电子显微镜下,微小的杆状结构清晰可见,直径为20-100纳米,大小与理论上的纳米细菌相似,科学家们将其解释为类细菌生命形式的化石。如果这些结构是石化了的生命形式,那么这将是外星生命存在的第一个最直接的证据。一时间,ALH 84001火星陨石仿佛是沸腾的油锅里滴进的一滴水,引发了全球热议,美国总统比尔•克林顿甚至就此发表了正式的电视声明,引发人们对于火星生命的无限遐想。今天大多数科学家认为“形态学本身不能明确地用作探测原始生命的工具”,而且,虽然那些杆状结构类似于一些现代陆生细菌及其附属物,但是这些结构比地球上的细菌要小得多。因此更多的科学家认为这些结构不能代表任何形式的生命,可能是某种非生物矿物成因。此后,这块火星陨石中也发现了多种有机物如多环芳香族碳氢化合物。2020年4月,最新又报道了含氮有机物。然而,有机物的发现与外星生命还相去甚远。

扫描电子显微镜下ALH 84001火星陨石中的杆状结构


根据ALH 84001中的碳酸盐记录,在火星的诺亚纪时期存在一个近地表的水环境,共同变化的碳同位素和氧同位素比值表明,这些碳酸盐是在恒定的温度(18 ± 4 °C)下,火星古老大气中的水和二氧化碳,与逐渐蒸发的地下水体沉积形成的,水体可能位于火星地表以下几米或几十米深的浅水层。因此,尽管火星上是否存在生命尚未可知,但可以肯定的是,艾伦-希尔斯84001在40多亿年前形成时,火星正处于温暖湿润的时期,火星表面很有可能曾经存在大量的液态水甚至古海洋。火星生命的探寻任重而道远,随着今年7月我国首次自主火星探测器“天问一号”发射,我们终将逐步了解这颗红色星球的前世今生。

第四名

代亚布罗峡谷(Canyon Diablo)铁陨石


  • 上榜理由:泄漏了大地母亲的芳龄


美国亚利桑那州北部沙漠中有一个直径1200 米、深达182 米的巨大陨石坑,是大约5 万年前一颗直径约为50米的小行星撞击地球而形成的。这个外形保留完美的撞击坑,是“全世界第一个被科学家确认的陨石坑”,冠名为巴林杰(Barringer)陨石坑,以纪念矿业工程师丹尼尔·巴林杰(Daniel Barringer),是他在20世纪初最先提出陨石撞击成因说,并独具慧眼出资购买了此陨石坑,给家族后人留下了一笔巨额财富。加州理工学院的地质学家尤金·舒梅克(Eugene Shoemaker)和美国地质调查局的华裔地质学家赵景德于20世纪50年代多次考察此地,最终找到了地外撞击成因的关键证据:柯石英和斯石英,这两种矿物都是石英在瞬间受到巨大冲击压力条件下才形成的,从此否定了争议已久的火山成因学说。
后来,在巴林杰陨石坑的周围找到了大量的铁陨石碎片,总重量超过30吨,其中最大的一块重639公斤。原来,造成巴林杰陨石坑的天外来客是一块主要由铁镍金属组成的重达数百万吨、名为代亚布罗峡谷(Canyon Diablo)的铁陨石。它的化学类型为IAB型,呈现粗粒八面体结构,这块铁陨石对科学史有两大重要贡献。1953年,加州理工学院的克莱尔·卡梅伦·帕特森(Clair Cameron Patterson)教授把代亚布罗峡谷铁陨石进行了分离,得到了超洁净的原始铅样品,最终测量出样品中的铅含量和铀含量,而铁陨石中因为没有铀,不会因为铀的衰变而改变内部铅的含量。因此,铁陨石中的铅可以代表太阳系形成时的铅含量,即地球形成时的原始铅组成。结合其他陨石的数据,帕特森首次测算出了地球的精确年龄为45.5 ± 0.7亿年,该数据目前仍然被公认为地球最佳形成年龄。此外,代亚布罗峡谷铁陨石中的陨硫铁还被广泛用作硫同位素的国际统一标准。

今日的巴林杰陨石坑是一个热门的旅游景点,全世界的游客不仅可以身临其境感受大自然的鬼斧神工,还可以现场直接触摸最大的那个天外来客。此外,由于它与月球表面上的环形山是如此相像,那里还曾作为基地给美国宇航员作集训之用。


巴林杰陨石坑全景


第五名

阜康陨石


  • 上榜理由:全世界陨石爱好者的最爱


2000年,新疆阜康市一名当地居民在戈壁滩上发现了一块重达一吨以上的陨石, 五年后,这块以陨落地点命名的阜康橄榄陨铁突然出现在美国市场,并被切割分解后以每克300美元的价格公开出售。阜康陨石是45亿年前分异的小行星母体深处形成的,代表了小行星核幔边界的岩石样品。它属于石铁陨石,也称橄榄陨铁,一半由银白色的铁镍金属构成,一半由金黄色的橄榄石构成,彷佛一件采用镶嵌工艺的艺术品,在阳光下光彩夺目,宛若珍宝。


阳光从阜康陨石中的橄榄石透出来,熠熠生辉

第六名

吉林陨石


  • 上榜理由:最大石陨石-入选吉尼斯世界纪录


1976年3月8日15时,随着一阵震耳欲聋的轰鸣,一场甚大的陨石雨空前降临,蔚为壮观,这是44年前发生在中国吉林的特大石陨石雨,散落在吉林市和永吉县及蛟河市近郊方圆500平方公里的平原地域内,称为吉林陨石(H5型普通球粒陨石),总重超过4000 公斤,最大块重1.77 吨,是世界上最大的石陨石,现被吉林市博物馆收集展出。这场空前壮观的陨石雨在人类历史上实属罕见,所幸没有造成人员伤亡。


吉林陨石陈列在吉林市博物馆

第七名

新疆阿勒泰铁陨石


  • 上榜理由:世界上规模最大的陨石雨


2011年在新疆阿勒泰地区发现一块特大铁陨石,为乌希里克(Wuxilike)铁陨石,重5 吨。铁陨石是太阳系最早期小行星母体深处形成的,代表了分异的小行星母体最核心的岩石样品。研究发现该铁陨石与同一地区发现的新疆铁陨石(Armanty)和乌拉斯台(Ulasitai)铁陨石为成对陨石,同属ⅢE群,表明来源于同一母体。它们穿过地球大气层时,发生爆炸后散落开来,溅射范围长达430 公里,远远超过了曾被公认为世界第一长陨石雨——纳米比亚的Gibeon陨石雨(长275公里)。国际陨石学会已正式批准把这三块铁陨石在内的陨石统称为阿勒泰(Aletai)铁陨石,是迄今为止世界最长的陨石雨。该陨石雨的确定对研究小行星轨道的演化和撞击地球的历史有重要启示作用。

新疆铁陨石(28吨)