作者:宗华 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/2/7 20:27:14
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探寻地球年轻的模样
关于40亿年前密集的小行星风暴的流行观点争议不断

 

艺术家绘制的被太阳系残骸轰击的早期地球想象图。图片来源:NASA/Goddard Image Lab

在地球的早期历史中——该行星形成的约5亿年后,内太阳系变得一团混乱。一连串小行星——大小和中国香港的面积相当——连续撞击地球,其强度足以将地球表面的大部分熔化。这种纵火般的暴力行为发生在约40亿年前,导致地球上大部分的水汽化并且使地表变成不毛之地。此次事件还杀死了原本可能开始出现的任何生命。此次撞击风暴过后,地球才开始变得足够安全,从而让顽强的生物站稳脚跟并且最终孕育出随后的所有生命。

自从地质学家对美国宇航局(NASA)“阿波罗”号探测器从月球带回的样本进行了系统研究,几十年来,这起被称为“后期重轰炸期”(LHB)的可怕事件已成为地球起源故事中不可或缺的一部分。但如今,这个曾经流行的理论不断遭到质疑,越来越多的证据也正在促使研究人员放弃它。

解决该争论将对地球科学领域一些最重要的问题产生重要影响:生命何时出现以及早期地球的状况如何?不过,一些研究人员认为,最终破解这一谜题还需要更新的样本。他们对美国许下的使宇航员重返月球的最新承诺寄予厚望,尽管时间表尚未确定。

“后期重轰炸期”

“‘后期重轰炸期’被视为阿波罗时代最伟大的发现之一。”加州大学旧金山分校地球化学家Mark Harrison介绍说,“但毫无疑问,过去若干年一些颠覆该发现的事情已经发生。”

太阳系约在46亿年前形成。这发生在由气体和尘埃构成的大片云层的中心撞入后来变成太阳的致密球体之后。围绕这颗恒星运行的尘埃盘中的卵石不断碰撞并且有时黏在一起。在几千万年后,这些凝聚体累积形成星子——行星最初的状态。其他岩石碎片则继续撞向更大的岩石并且留下深坑。随着时间流逝,太阳系变得愈发稀薄,留下了一些像人们今天见到的构造一样的东西。

在地球上,关于这一暴力历史的大多数证据因为构造板块的搅动而被抹掉。不过,“懒惰”的月球上伤痕累累的表面保留了关于撞击事件的长期记录。一些记录——约382公里的月岩和月壤——被“阿波罗”号宇航员收集到并且带给了渴望研究这些样本的科学家,因为它们可能揭示关于月球历史的很多事情。1973年,在“阿波罗”号最后一次登月后,英国谢菲尔德大学一个团队报告称,其在来自4项独立的“阿波罗”任务以及苏联“月神”任务的样本中发现了一种奇怪的模式。对每个样本进行的放射性测年指向了同一时间段:39.5亿年前。同一年,加州理工学院的一个团队证实了这些发现。

这种时间上的巧合表明,一连串物体曾在一个5000万年的狭窄窗口内袭击月球,并且留下了无数的撞击坑,包括十几个面积和得克萨斯州相仿并且在表面留下“疤痕”的盆地。由于这代表了太阳系经历凌乱的起源后各种混乱的最终激增,因此上述加州理工学院团队将该事件命名为“终极月球灾难”,尽管随后它获得了另一个更流行的名字——LHB。

结果引发分歧

不过,该观点很快引发分歧,部分原因在于岩石测年法产生的结果比较含糊。这主要是通过测量岩石中氩-40(40Ar)原子和放射性钾-40(40K)的比率实现的。在12.5亿年的半衰期里,40K逐渐衰变成40Ar。同时, 40Ar在高温下会从矿物质中泄漏出来。这使得两种同位素的比率变成一种计时器:岩石变热后流逝的时间越多,存在的40Ar也应该越多。然而,搞清氩和钾的浓度非常困难,因为同样的比率可能由在约39.5亿年前加热岩石并释放40Ar的“集中火力”引发,也可能是长期且逐渐变弱的小行星洪流所致。

第一批真正的新数据出现在2000年。当时均在亚利桑那大学工作的行星科学家David Kring、宇宙化学家Timothy Swindle和行星科学家Barbara Cohen收集到被小行星从月球表面撞击并且爆炸后降落到地球的月球陨石。他们希望,这些岩石将提供更多的关于月球地壳的随机样本。来自阿波罗任务的样本最多只能描绘4%的月球表面。但当结果出来时,随机样本表现出一种奇特且熟悉的模式。

“坦白地说,我原以为我们测量了很多样本,并且会将时间追溯至43亿和44亿年前。这足以证明LHB的观点是错误的。”Swindle表示。但相反,他们并未发现在假定的LHB发生时间之前有撞击事件存在的证据。“这有点把我推向了另一边。”Swindle说。

不过,研究人员仍在怀疑轰击事件是如何在太阳系形成后这么久才发生的。经过5亿年的洗礼,大多数残留的废墟应当已被抛掉或者落入位于火星和木星之间的主小行星带以及海王星之外的柯伊伯带等稳定区域。没有人能解释为何在这么晚的时候会发生如此意想不到的事件。“到底是太阳系何处的天体在‘游荡’了6亿年后‘尖叫着’冲进来并且撞向月球?”目前在NASA戈达德宇宙飞行中心任职的Cohen反问道。

撞击事件曾在更早之前发生

伴随着尼斯模型的出现,一种可能的答案在2005年到来。该模型最初被用于解释柯伊伯带遥远的冰冷天体表现出的怪异轨道行为。它认为,太阳系的外行星在形成时相互靠得比现在更加紧密。计算机模拟显示了木星和土星巨大的引力如何创建出一种不稳定性,最终将天王星和海王星撞到更遥远的轨道上、把彗星从遥远的“仓库”中撞击出来并且将小行星撞出主带。

尼斯模型为LHB提供了巨大的支撑。“我认为,该模型帮助巩固了这一想法。”密歇根州阿尔比恩大学物理学家Nicolle Zellner表示。

然后,就在LHB观点最终看上去无懈可击时,漏洞开始出现。来自阿波罗任务的数据和基于重叠方式估测撞击坑形成顺序的计数表明,月球近侧上3个最大的撞击坑盆地——雨海、酒海和澄海——可能均拥有39.5亿年的历史。但来自NASA月球勘测轨道飞行器(2009年开始围绕月球运行)的高分辨率地图发现了从雨海延伸出来的碎片射线。这表明形成此撞击坑的事件可能将岩石撞入附近的澄海,从而污染了在那里收获的阿波罗样本。2010年,对被认为从酒海喷射出来的岩石进行的再次分析显示,它们在化学和地质特征上均同来自雨海的物质相似。“我们开始意识到,或许我们在不断地采集来自雨海的样本。”Zellner表示。

来自月岩的数据并未帮上忙。尽管没有样本看上去比40亿年更加古老,但一些要比其他的“年轻”数十亿年,而且并未在约39.5亿年前出现明显的激增。阿波罗样本还隐藏着其他惊喜。自2012年起,对岩石中微观区域开展的详细研究将样本形成时间追溯至42亿年前。这比任何人此前见到的都要早很多,并且表明重要的撞击事件曾在更早之前发生。

在一定程度上受到这些新发现的启示,一些研究人员提出了开始于约41亿或者42亿年前且持续时间更长的LHB。不过,该观点遭到重击:地球上一些最古老的晶体(来自澳大利亚杰克山地区)表明,地球在当时是一个相当温和的地方,温度较低且水分充足。(宗华编译)

更多阅读

《自然》网站相关报道(英文)

 
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2018/2/8 18:23:12 lixuezhong
要真正了解地球,我国的登月计划很有必要。
目前已有1条评论
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