给太阳系计时，谁有这么大能耐！它就藏在石头里→

先秦诸子百家之一尸佼所著《尸子》中提到“四方上下曰宇，往古来今曰宙”。宇宙，是一个令人充满好奇与惊叹的时空。无垠的星海中，有一类被称为造父变星的恒星，其亮度随时间发生周期性变化。通过研究造父变星的光度和周期之间的关系，天文学家能够揭示星系和星团之间的距离。这些神奇的造父变星被誉为“宇宙的量天尺”。

然而，仅仅测量距离并不能完整地还原宇宙的故事。为了更深刻地理解宇宙的起源和演化，我们需要聚焦人类的家园——太阳系。天体化学家们拥有一种独特的“法宝”，使用放射性同位素来确定岩石和矿物的年龄。不同的放射性同位素体系仿佛太阳系中安放的天然“计时器”，记录了天体上产生的岩浆活动、天体之间的碰撞以及发生的化学反应，使得天体化学家能够从时间的维度解密太阳系的形成和演化历史。

▲图1 来自澳大利亚杰克山的锆石的伪彩图，这颗锆石代表地球最古老（44亿年前）的样品 图片来源：网络

长寿期同位素：太阳系的“时钟”

天体化学家掌握各种各样的计时器，其中最常用的是铀-铅（U-Pb）定年法（还有87Rb-87Sr和40K-40Ar等）。以富铀矿物锆石为例，简述定年原理如下：当锆石形成时，会捕获一定比例的铀元素。天然铀元素包含了235U和238U两个放射性同位素，随着时间流逝，它们会依照各自的速率（一定的半衰期，即放射性原子核半数发生衰变需要的时间）分别衰变为207Pb和206Pb。235U-207Pb和238U-206Pb这两个同位素体系实际上是两个独立的计时器，根据定义，两者应该给出相同的年龄。通过质谱仪测量矿物中的同位素比值，就可以计算出矿物或岩石的形成时间。

▲图2 南极火星陨石GRV 020090中的斜锆石的背散射电子图像，这颗斜锆石证实火星最年轻的火山活动持续到2亿年前 图片来源：紫金山天文台

陨石中的锆石（也包括含锆矿物）粒径较小，通常只有几微米至几十微米（相较而言，成人发丝直径约70微米）。锆石具有非常强的抗侵蚀能力，不容易受到后期撞击扰动，同时其结构不易容纳干扰性子体元素（如铅），非常适合铀-铅定年，能够忠实地记录其在岩浆中的结晶时间。

锆石作为微小的时间胶囊，在行星科学中得到了广泛的应用。比如迄今地球上最古老的样品来自澳大利亚杰克山（Jack Hills）发现的锆石，是44亿年前结晶形成的。尽管经历了沧海桑田，这颗锆石使得科学家依然有机会洞察地球形成之初的地质历史。其最年轻的火山活动持续到2亿年前便是从火星陨石中的斜锆石得知的。中国科学院地质与地球物理研究所由李献华院士牵头的科研攻关团队，利用自主研发的超高空间分辨率技术，分析了嫦娥五号返回样品中小至3微米（约成人发丝直径的1/25）的含锆矿物，证实月球迄今最年轻火山活动发生在20亿年前。

▲图3 我国嫦娥五号月球玄武岩中的含锆矿物（斜锆石和钛锆钍矿），证实月球迄今最年轻火山活动发生在20亿年前。图片来源：改编自文献3

短寿期同位素：太阳系的“秒表”

上述放射性同位素的半衰期很长（238U和235U的半衰期分别长达约45亿年和7亿年），对于太阳系几十亿年以来发生的事件可以进行精确定年，但是对于发生在太阳系最初几百万至几千万年内的事件，那些长寿期同位素的精度就不够了。此时大自然“贴心”安放了另一类计时器——短寿期放射性同位素。这些核素的衰变速率非常快，现在已经灭绝了，故也称灭绝核素。尽管它们早已衰变完，但是我们根据它们衰变后的同位素子体，能推测它们在太阳系早期存在过。

如果把长寿期同位素比喻为太阳系的“时钟”，那么短寿期同位素则可以类比为太阳系的“秒表”。天体化学家广泛使用的“秒表”有26Al-26Mg体系（半衰期仅为70万年）、53Mn-53Cr（半衰期约为370万年）、182Hf-182W（半衰期约为900万年）。这些短寿期放射性同位素可以对太阳系早期发生的事件进行精确定年，精度可以达到几十万年。

科学家应用26Al-26Mg和53Mn-53Cr体系，发现了太阳系中一种最古老的安山岩（一种相对富硅富钠富钾的岩浆岩），其年龄与太阳系最早高温凝聚的固体物质难熔包体在误差范围内一致，表明太阳系形成之初的一两百万年内，星子便能熔融分异成核幔壳，快速演化出安山岩。值得一提的是，短寿期放射性同位素只能给出相对年龄，因此必须将它们与长寿期放射性同位素联合起来，才能得到岩石的绝对年龄。

▲图4 示意图显示在太阳系最初一两百万年内，星子便快速熔融分异形成安山岩。无球粒陨石Erg Chech 002代表了太阳系最古老的岩浆岩 图片来源：改编自网络

陨石的宇宙射线暴露年龄

当陨石从母体中被撞击出来后，便在太空中漫游，不断遭受宇宙射线轰击。宇宙射线与陨石表面的原子相互作用，生成一些宇宙成因核素，如3He，10Be，14C，21Ne，26Al和26Cl等。通过测量这些宇宙成因核素的含量和生成速率，就可以估算出陨石暴露在宇宙射线下的时间，即陨石在太空中漫游的时间。请注意，此时检测到陨石中的26Al不再是灭绝核素，因为陨石只要暴露在宇宙射线中，其表面就一直遭受宇宙射线轰击，不断生成26Al，进入到地球大气层后才开始衰变减少，约500万年后才会衰变完成。而迄今为止收集的陨石在地球上停留的时间一般都小于500万年（超过500万年的估计都分解没了），因此相对太阳系初期形成的陨石来说，这里的宇宙射线成因的26Al不再是灭绝核素。

▲图5 宇宙射线暴露年龄记录的是陨石从其母体撞出来后漫游在太空中直至进入地球大气层前的时间 图源：网络

陨石的居地年龄

当陨石坠落于地表后，由于地球大气层的屏蔽，不再与宇宙射线相互作用，因此宇宙成因核素不再增加。这时那些宇宙成因的放射性核素（如14C，10Be和36Cl等）开始衰变，通过测定这些核素的浓度，就可以估算陨石掉落在地球上的时间。沙漠陨石（在沙漠发现的陨石）的居地年龄通常大于5万年，一些甚至可以达到25万年。而南极陨石（在南极发现的陨石）的居地年龄可以长达200万年，这表明干燥而寒冷的南极就像一个天然的大冰柜可以更长久地保存陨石。

▲图6 沙漠陨石（上）和南极陨石（下），居地年龄记录的是陨石掉落在地球上的时间 图片来源：网络

结语

放射性同位素如同宇宙中的时空旅行者，为我们揭示了宇宙从远古的星系到太阳系的形成演化等历程。这些太阳系的计时器承载着亿万年前的秘密，让天体化学家得以从时间的长河中解读宇宙的篇章。

参考文献：

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7. Jull A. J. T. 2006. Meteorites and the Early Solar System II. 889–905.

来源：中国科学院紫金山天文台

中科院科学传播研究中心

编辑 | 李思瑾

校对 | 曹瑞玥 厉春

审核 | 何勇