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那些划过地球附近的彗星,是来自太阳系外寒冷遥远区域的访客。这些冰冷、尘土飞扬的天体在那里形成于数十亿年前,远离太阳的热量和辐射,因此长期以来人们认为它们是由太阳系形成过程中剩余的未受污染的碎片组成。但是,一项对维尔德2号彗星粒子的新分析表明,该微粒形成于靠近太阳的地方,然后在太阳系开始形成数百万年后迁移到外部,被彗星捕获。与对其他样本的类似研究一起,这项新发现加强了一种理论,即起源于柯伊伯带的彗星(柯伊伯带是冥王星轨道及其以外的遥远冰冷碎片带)包含比太阳系原始颗粒形成时间稍晚,且更靠近太阳形成的碎片。
詹妮弗·马泽尔,加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的宇宙化学家,和她的同事们用一点天体化学法证学证实了这个时间线。马泽尔和她的合作者分析了名为Coki的小粒子,该粒子由NASA的星尘号任务捕获并带回地球。星尘号于2004年访问了维尔德2号(发音为“Vilt 2”),现在正前往于2011年与坦普尔1号彗星相遇。但在2006年,该航天器掠过地球以运送其从维尔德2号收集的样本,弹射出一个46公斤的舱体,降落伞降落到犹他州沙漠。
一些样本,包括Coki,带有高温形成过程的痕迹,类似于在一些陨石中看到的富含钙和铝的内含物(CAI)。这些CAI被认为形成于非常早期的太阳系中暴露在太阳热量下的环境中超过45亿年前,像Coki这样的热锻粒子表明,彗星不仅包含太阳系形成的原材料,还包含一些在迁移到柯伊伯带之前在内太阳系中至少经过部分处理的材料。
在2月25日科学杂志在线发表的一项研究中,马泽尔和她的共同作者通过寻找放射性铝同位素的衰变产物,介绍了粒子形成年代的测定结果。(同位素是具有不同中子数,因此具有不同原子质量的元素种类。)铝26,比稳定的普通铝27少一个中子,衰变为镁26,半衰期约为70万年——在天文时间尺度上相对较短。但是,尽管Coki粒子包含铝27,但它不包含来自铝26放射性衰变的任何可检测到的镁26。因此,马泽尔和她的同事得出结论,该粒子形成于太阳星云(新生太阳周围的原始云)中所有铝26都已衰变之后。
这表明Coki的形成年代大约在最早的CAI形成后170万年或更久,这使其在46亿年前的太阳系时间线上处于相当早期的位置。但是,Coki在太阳系演化数百万年后形成,后来迁移到柯伊伯带这一事实有些令人惊讶,表明某种向外转移过程可能已经持续了数百万年。“这篇论文的新颖之处和有趣之处在于,这是我们第一次能够获得对时间的一些估计,”马泽尔说。“即使它是一个非常古老的物体,并且形成于非常靠近太阳的地方,但在它被抛入彗星形成区域之前,它在内太阳系中经历了一段更长的历史。”
约瑟夫·努特,美国宇航局戈达德太空飞行中心(位于马里兰州格林贝尔特)的天体化学家,他没有参与这项新研究,他说,在此分析之前,没有确凿的证据支持如此晚期的向外迁移。在太阳系历史的那个阶段,太阳和柯伊伯带之间会存在大型天体,它们的引力将使它们难以绕过。“星云形成一百万或两百万年后发生的事情之一是木星的形成,”努特说。“而木星将是一个巨大的障碍。”
努特称同位素分析是“伟大的工作”,但指出这种解释——即物质在太阳系中向外移动的时间出奇地长——依赖于一个关键的假设即铝26在整个星云中均匀分布。如果铝26的浓度在空间或时间上存在变化,那么同位素作为原子钟的用途就会变得混乱。事实上,一些模型提出,铝26可能是由附近的超新星或其他过程注入到太阳星云中的,这意味着Coki可能只是在同位素可用之前形成的。
“除非你选择那些特定的模型之一,否则这不是一个确定的时间框架,因此他们选择的模型基本上意味着星云中的运输持续了数百万年,”努特说。“但是,如果他们选择的模型是铝26和其他放射性元素是在稍后某个时间注入的,那么他们分析的CAI碎片可能是最早形成的CAI碎片之一。”
马泽尔说,同位素浓度的空间变化比时间变化更令人担忧。“仅从陨石来看,我认为我们有一些相当好的证据表明,并没有发生大规模的后期注入,”她说。“我认为担心的是,如果铝26没有均匀分布,那么星云的某些部分可能从未有过,也永远不会有。” 虽然马泽尔说不能排除这种情况,“但每次我们分析新事物时,我们似乎都会得到一个非常一致的故事。”
无论其含义如何,努特表示,Coki分析为解开太阳系的历史提供了一个重要的数据点。“在太阳系的化学成分方面,将非常非常高温下形成的东西输送到那么远的距离确实意义重大,”他说。努特补充说,这种运输的持续时间和效率,以及它移动的物质体积,对哪些种类的化合物播种了太阳系,甚至可能对生命的先驱如何分布到行星产生了影响。