国际小行星日｜天外来“客”： 小行星守护着太阳系“童年”的秘密？

今天是国际小行星日，根据全国科学技术名词审定委员会审定的地球物理学名词，小行星是指太阳系中环绕太阳运动的、体积和质量远小于八大行星的天体。对于浩瀚的宇宙，甚至对于我们太阳系来说，小行星只是“沧海一粟”。然而，小行星竟守护着太阳系“童年”的秘密。

图1. 艺术想象图：正在形成中的太阳和它周围的行星盘。（图片来源：ESO）

01 一颗飘荡了几十亿年的小行星碎片

在太阳刚刚诞生的时候，周围存在一个由尘埃和气体组成的行星盘，行星就在这盘中诞生，其中气体占了99%，固体颗粒只有1%。绝大部分气体逐渐被太阳吸积，而固体尘埃会碰撞凝聚在一起，成为了沙砾、岩石等，它们越长越大，最终可以成为像我们地球一样的岩石行星、矮行星、卫星和数量众多的小行星。还有一些岩石碎片一直在太阳系中游弋，它们可能是被遗留了下来的或者由于小行星的碰撞产生的。一次偶然的机会，它被地球的引力捕获，变成流星落向地球，如果没有在大气中燃烧殆尽，就成了地球上最常见的陨石——球粒陨石。

在1940年的一个夜晚，一颗飘荡了几十亿年的小行星碎片坠入了地球，在和空气的剧烈摩擦中，产生了一道耀眼的亮光划破了夜的寂静，最终落到了印度北部一个名为Semarkona的小村庄。于是，这颗陨石被命名为Semarkona，它的重量为691克。Semarkona陨石属于普通球粒陨石中最为罕见的一个子类，直到70多年后，才发现了属于该子类的第二颗陨石。该子类的陨石经历了最少的变化，保持了最原始的状态，因此通过它们可以了解太阳系形成时的环境和条件。在Semarkona陨石发现之后，科学家们开展了大量的研究，直到今天，还有很多的研究以Semarkona陨石为对象，为我们揭示了太阳系形成的奥秘。

图2. Semarkona陨石，被认为是最原始的陨石之一，包含了大量的毫米大小的球粒，图片显示的是1.5厘米大小的截面。（图片来源：THE PLANETARY SOCIETY）

02 如何测量Semarkona陨石的年龄

放射性同位素的衰变以当做大自然的时钟。陨石里含有微量的放射性同位素和它的衰变产物，通过测量它们，科学家们可以知道陨石形成的时间。什么是放射性同位素呢？铝是我们日常生活中很常见的一种金属元素，比如可乐的易拉罐就是铝做的。想象一下，铝原子的核心像一个小房间，里面住着质子（带正电的粒子）和中子（不带电的粒子）。普通铝原子，我们叫它铝-27，因为它的核中有13个质子和14个中子，非常稳定，就像一个和谐的家庭。铝-26是铝的一种同位素，它的原子核里少了一个中子，这样的组合不太稳定，进而通过放出能量和粒子让自己变得更加稳定，这个过程就是放射性衰变，铝-26会变成另一种稳定元素镁-26，包括12个质子和14个中子。因此铝-26是铝的一种放射性同位素。这个衰变过程非常缓慢，铝-26的半衰期大约是72万年，也就是说，如果你现在有一堆铝-26，要过72万年，才会有一半的铝-26完成了它的变身之旅。

富钙铝包体富含钙和铝的矿物组成，是球粒陨石的主要组成材料。是太阳系形成第一批固体，因此它的诞生时刻通常被认为是太阳系形成的时间零点，大约在45.67亿年前。这个年龄是通过铀-238和铀-235衰变测量的，它们的半衰期分别为44.68亿年和7.04亿年，衰变产物为铅-206和铅-207，因此这种方法也被称为“铅-铅”测年法。顾名思义，富钙铝包体富含铝，通过测量发现富钙铝包体形成时，铝-26和铝-27的比值大约是两万分之一。对于球粒陨石来说，科学家们能够测量球粒形成时铝-26和铝-27的比值，通过这个比值以及铝-26的半衰期，可以推断球粒相对于富钙铝包体形成的时间。对Semarkona陨石中不同的球粒进行分析发现，球粒诞生于富钙铝包体形成之后100万到300万年，而且在这期间分别在120、160、210、240、290万年时分别经历不同的热融化事件产生了球粒。

03 陨石里记录了超新星爆发？

此外，通过测量陨石里含有微量的放射性同位素和它的衰变产物，就能够研究陨石形成时，也就是太阳系行星盘甚至更早期是什么样的状态，经历了什么样的环境。比如上述的铝-26的来源，存在多种说法，其中一种就是附近的超新星爆发带来了放射性铝-26。

铁-60是铁的一种放射性元素，它会衰变成镍-60。科学家们通过分析Semarkona陨石中镍-60、镍-58和铁-56的比值关系，推断出在陨石形成时铁-60的含量非常高，说明在太阳系形成早期，星云物质里面含有超量的铁-60，而且它们不可能来自刚刚诞生的太阳对于星云物质的照射，也不可能来自和星际物质的混合。对于如此超量的铁-60，科学家们认为最有可能的原因是，在太阳系形成的时候，有一颗距离非常近的超新星爆发带来了新合成的铁-60。进一步的数值模拟表明，是一颗距离太阳系3光年左右，大约20倍太阳质量的恒星发生了超新星爆发，它产生的冲击波把爆发中产生的铁-60带入了幼年的太阳系，从而后来形成的小行星都打上了这次超新星爆发的烙印。

然而，科学发现的道路上布满了荆棘。后来的研究发现在形成太阳系的星云和形成行星的行星盘中铁-60的含量并不高，比之前的结果低了100倍。其中的原因有：其一，直到2009年，人们才发现铁-60的半衰期并不是之前认为的150万年，而是260万年；其二，之前有些研究工作存在一些问题，包括仪器、样本和统计分析方法等。因此，现在关于Semarkona陨石中铁-60的含量存在很大争议，有人认为这个争议可能来自铁-60分布的不均匀性。在太阳系诞生的早期是否存在一个非常近的超新星爆发，希望后续的研究能够为我们揭开这个谜题。

图3.超新星爆发的艺术想象图。 （图片来源：Melissa Weiss/CfA）

04 陨石记录了星云磁场

Semarkona陨石的10%球粒中存在橄榄石矿物颗粒，包含着微米级的铁镍金属，当它们暴露在磁场环境中时，会被磁化。由于这种橄榄石矿物颗粒独特的成分、尺寸和磁性，它们会一直保持当初被磁化时的磁场。因此测量Semarkona陨石中橄榄石矿物颗粒的磁场，就能获得这些陨石球粒形成时的环境磁场。

科学家们利用了依赖超导技术的磁力计非常精确地测量了Semarkona陨石中球粒中橄榄石矿物的磁场大约为54微特斯拉，而且不同球粒的磁场方向是随机分布的，这说明这些球粒在融合成小行星之前就已经被磁化了。进而推断出这些球粒形成时，太阳系星云的磁场大约为5至54微特斯拉，比现在的星际空间的磁场大10万倍。

这个磁场测量也解决了困扰科学家数十年的一个谜题。行星盘存在的时间大约是几百万年，什么样的机制能够让气体能够在这么短的时间内全部落入太阳？科学家们猜想一些包含磁场的机制可以使气体快速落入太阳，比如磁旋转不稳定性，测量的结果表明，原初行星盘物质有足够的磁场加快行星盘的气体落向太阳，支持了这种磁场机制。

图5.艺术想象图，遍布磁场的原初行星盘，球状颗粒是毫米级的球粒矿物。（图片来源： Hernán Cañellas）

一颗小行星的碎片，无意间落入地球，成为了Semarkona陨石，这颗陨石就像是磁带，记录了如此丰富的关于太阳系形成的信息，在国际小行星日到来之际，我们通过小行星，再一次略领了宇宙无穷的奥妙。

参考资料：

1. Homogeneous Distribution of 26Al in the Solar System from the Mg Isotopic Composition of Chondrules | Science

2. 60Fe: A Heat Source for Planetary Differentiation from a Nearby Supernova Explosion - NASA/ADS (harvard.edu)

3. Radioactive Probes of the Supernova-contaminated Solar Nebula: Evidence that the Sun Was Born in a Cluster - NASA/ADS (harvard.edu)

4. Short-Lived Nuclides in the Early Solar System: Abundances, Origins, and Applications | Annual Reviews

5. Solar nebula magnetic fields recorded in the Semarkona meteorite | Science

作者：闫震 中国科学院上海天文台 研究员

出品：科普中国

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