拉蒙特-多尔蒂地球观测站由十几个小建筑组成，它们坐落在曼哈顿以北15英里的帕利塞兹的松树林中。在观测站地球科学大楼的二楼，哥伦比亚大学古生物学家保罗·奥尔森迷宫般的办公室里，书架上堆满了数百本关于恐龙的书籍：《恐龙数据书》、《终极恐龙》、《意大利的恐龙》。奥尔森从青少年时期就开始研究它们。他的第一个古生物学成就出现在他还在高中时。几乎凭借一己之力，奥尔森说服尼克松政府将一个发现恐龙足迹的地点指定为国家自然地标。
现在，作为一位头发花白、留着小胡子的教授，当他思考如何解释一个复杂观点时，会下意识地抚摸着胡子。奥尔森带领我们穿过高耸的地质样本架，来到一个巨大的步入式冰箱的角落。在这里，研究生肖恩·金尼打开细长的纸板箱，露出一组石制圆柱体，每个圆柱体大约三英尺长，四英寸直径。它们被精细地分层：有些是学员灰，带有白色条纹，而另一些则是焦糖色和赤褐色。这些是沉积岩芯。它们是从古代湖床中钻取的，每个三英尺长的部分代表了大约五千年的地球历史。它们与数百个类似的岩芯一起构成了“地质天体仪”。奥尔森喜欢说，地质学家研究岩石记录来发现我们无法以其他方式了解的地球信息。借助天体仪，他使用沉积记录来推算地球和其他行星在2亿多年前的轨道位置。这种方法是前所未有的：与直觉相反，奥尔森向下挖掘是为了向上看。
奥尔森说：“就地球的历史而言，你需要大量的观察才能看到模式，然后才能得出假设。世界太复杂了，无法从一系列假设中得出假设，然后推断出它必须是什么。对于像太阳系这样复杂的动力系统，你无法做到这一点。太阳系问题没有解析解，这是肯定的。你需要经验信息。” 奥尔森于一月份在《美国国家科学院院刊》上发表了天体仪的初步结果——大约2400万年的经验数据。
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天体仪，就像启蒙运动期间发明的许多科学仪器一样，试图在一个有序的模型中约束宇宙的动态角落——在这种情况下，是太阳系。天体仪用球体和钟表机制代表太阳和行星；第一个现代天体仪是为第四代奥瑞里伯爵查尔斯·博伊尔于1704年建造的。奥尔森的地质天体仪避开了钟表机制。相反，它依赖于古代湖泊和河流中沉积物积累的速度。这些沉积层被锁定在岩石记录中，提供了有关地球气候历史的线索，进而证明了该行星数百万年来的轨道变化。
数亿年前行星的位置问题被包含在另一个问题中：行星的轨道是否稳定？十八世纪的天体仪假设它们是稳定的，即使艾萨克·牛顿意识到，在两个以上轨道体的系统中，它们之间的引力相互作用会使它们彼此倾斜或撞击在一起。就他而言，牛顿宣称太阳系明显的不变性证明了有一位神圣的创造者在调整行星的运动，就像给手表上弦一样。为了生活在一个将永远平静地绕太阳运行的行星上，天文学家在接下来的两个世纪里试图找到一种分析证明，可以证明太阳系是稳定的。
但是，这种证明是无法获得的：太阳系是混沌的。这种混沌发生在巨大的时间尺度上，是由行星之间轻微引力吸引力的积累造成的。木星牵引着水星；月球正在悄悄地与地球分离。PNAS研究的合著者、南安普顿大学的分子古生物学家杰西卡·怀特赛德说，行星的轨道“摇摆不定”。因此，天文学家只能准确估计大约6000万年前的行星相对位置——超出此范围的任何时间，都会积累太多的混乱，从而模糊了更深的过去。但是，隐藏在混乱中的也是找到行星曾经位置的解决方案。地球的轨道在几个状态之间变化——更圆或椭圆，具有或多或少的轴向倾斜和岁差——跨越数千年。圆形和椭圆形轨道之间的循环，称为轨道偏心率，会在大约40万年的时间内改变地球与太阳的距离。这会影响气候，这种现象称为米兰科维奇周期（以首先提出该理论的天文学家命名）。气候波动导致冰盖侵蚀或消退，湖泊充盈或干涸。这一事实是地质天体仪的关键。
地质学家吉姆·海斯、约翰·英布里和尼古拉斯·沙克尔顿在1976年的一篇开创性的论文中证实了米兰科维奇的理论，该论文宣称这些周期是地球冰河时代的“起搏器”，奥尔森和其他地质学家着手努力更好地理解它们。奥尔森说：“到八十年代末，似乎如果你能获得整个[沉积]岩芯记录，这将是一个在最大尺度上观察模式真正样子的机会。”他与拉蒙特-多尔蒂和罗格斯大学的地质学家丹尼斯·肯特一起，开始在新泽西州北部的纽瓦克盆地钻探沉积岩芯。该盆地形成于约2.2亿年前的三叠纪晚期，当时冈瓦纳超大陆开始分裂。（颇为方便的是，拉蒙特-多尔蒂天文台位于盆地的北部末端。）1996年，奥尔森和肯特表明，米兰科维奇周期在三叠纪晚期影响着冈瓦纳的热带气候。他们发现了几种模式的证据：一个20000年的岁差周期和100000年、400000年和200万年的轨道偏心率周期。一个想法的种子被种下：如果他们可以使用相同的方法来揭示古代行星动力学呢？
从纽瓦克和哈特福德裂谷盆地钻取的沉积岩芯。图片来源：保罗·E·奥尔森
在哥伦比亚大学参加一个天体生物学会议时，奥尔森匆匆地走过一条又一条的走廊，寻找通往顶层的楼梯。他迟到了。另一位科学家从他的办公室里向他喊话，他们兴奋地互相问候，会议暂时被遗忘。“你知道这是谁吗？”奥尔森说。“这是吉姆·阿普尔盖特，他设计了数字天体仪！”两人开始讨论分点的岁差：显然，行星科学家就是这样赶上来的。
阿普尔盖特是一位天体物理学家，他是杰拉尔德·杰伊·萨斯曼领导的科学家团队的一员，该团队在 1980 年代建造了一台可以准确预测行星动力学的计算机。萨斯曼是一位出生于布鲁克林的博学家，在麻省理工学院研究人工智能已有半个世纪之久。1983年，他休假并“宣布他打算当一年天文学家”，当时在加州理工学院担任博士后的阿普尔盖特说。“他想建造一台专用计算机，将太阳系整合10亿年。”那台计算机成为数字天体仪。它为太阳和每个行星体配备了单独的处理器。1988年，萨斯曼用它揭示了冥王星的轨道是不规则的。
第二年，PNAS论文的第二作者、法国天文学家雅克·拉斯卡尔在数值上确定地球的轨道也是混沌的。这具有重要的意义：假设您测量地球绕太阳运行的当前位置，并且您仅偏差了 15 米——或大约 0.0000012%。拉斯卡尔表明，即使是如此微小的误差也无法预测地球在 1 亿年后的位置。拉斯卡尔说：“我们使用了我们能制造的最精确的行星运动模型，考虑了所有行星、次行星、广义相对论以及所有因素。但是，即使这样做，我们也永远无法计算出 6000 万年以上的解决方案。” 太阳系问题没有解析解：你需要经验信息。
当他继续分析来自纽瓦克盆地的沉积岩芯时，“很明显，存在一个 175 万年的周期”，奥尔森说。这个周期是地球与火星缓慢引力华尔兹的结果。拉斯卡尔已经预测到了这一点，但之前没有人能在岩石记录中看到该周期的证据。到 1999 年，奥尔森和肯特能够证明，地球-火星周期随着时间的推移发生了变化，目前周期为 240 万年。
奥尔森说：“我在这方面受到了很大的阻力。”他很熟悉批评。他的想法雄心勃勃，地质学家经常对岩石记录的保真度存在分歧，他说，岩石记录“充满了不整合”。可能的不整合包括缺失的岩层或沉积物沉积速度的变化。乌得勒支大学的地球科学家弗里茨·希尔根说，沉积速度的变化会扭曲时间在记录中的表示，他没有参与天体仪的研究。
这为地质天体仪带来了潜在的陷阱。它依赖于完整的沉积记录：如果其中存在不可见的间隙，它将不可避免地影响时间，并且整个尝试可能会崩溃。此外，仅通过查看任何一个地方的岩石记录，就无法确定是否存在此类间隙。奥尔森知道他必须找到一种方法来证实纽瓦克盆地中关于天体仪的证据，才能使天体仪有成功的机会。“所以，我们决定通过另一个取芯实验进行检查，”他说。“那是科罗拉多高原。”
科罗拉多高原是一片广阔的沙漠，纵横交错着峡谷，点缀着山脉，2.5亿年前，大陆板块褶皱隆起形成。它横跨美国西南部的四角地区，蕴藏着无数的地质奇观。奥尔森和肯特在2013年提取的沉积岩芯是在亚利桑那州钻取的。肯特是古地磁学领域的专家，古地磁学是地球物理学的一个分支，研究地球的古代磁场。他说那里的沉积物有可能证实纽瓦克盆地的岩石记录。数百万年前，大规模的火山轰击着周围的地形。在这片景观中，微量的磁性赤铁矿颗粒为奥尔森和肯特提供了关键的佐证线索。肯特解释说，地球的磁场会零星地翻转，而这些反转会记录在沉积物中的磁性颗粒中。“它们几乎就像一个条形码，”他说，“当我们有良好的时间记录时，这个序列非常独特。”如果地质学家能够将这种模式与广泛分散地区的沉积记录相匹配，他们就可以确认岩石的年龄相同，并且更重要的是，确定一个地点（例如，在纽瓦克）的记录是否有任何缺失。当奥尔森和肯特将科罗拉多高原岩芯与纽瓦克盆地岩芯进行比较时，它们匹配了。
奥尔森说，在2018年休假期间，他表面上是为了写一本关于恐龙足迹的书，但他开始对改进岩芯数据感兴趣，他意识到他可以将10万年的周期与更长的周期进行比对。“它变得非常细致，”他说，但还是解释道：每个行星都会像陀螺一样在它的轴上摆动，这种现象被称为近日点进动。每个行星的进动略有不同——这里2万年，那里25700年——但是，这些周期可以用来与奥尔森在沉积岩芯中发现的周期进行比对。当他比较天体摆动周期和地质周期时，它们几乎完全匹配。奥尔森停顿了一下，品味着他即将揭晓的精彩之处。“通常我过去会做的是，我会宣布胜利！”他说。
但是奥尔森意识到，他可以更进一步，将10万年的米兰科维奇周期与更长的周期进行比对，比如地火周期。他这样做了，它们匹配了。奥尔森说，“这基本上是不可能的，除非这些数据是周期准确的体现。”奥尔森将结果发给了拉斯卡。“那太可怕了，”他说。在拉斯卡阅读后，他们进行了交谈。奥尔森说，拉斯卡认为这些数据“太好了”。他怀疑奥尔森可能使用拉斯卡的天体预测来调整了他的数据，但是在拉斯卡自己检查了数据后，他得到了相同的结果。2万年的天体周期有效地嵌入在10万年的米兰科维奇周期中，而后者又嵌入在地火周期中。天体仪奏效了。
保罗·奥尔森站在亚利桑那州石化林国家公园的岩芯钻探地点附近。图片来源：凯文·克拉季克，拉蒙特-多尔蒂地球观测站
地质天体仪目前是一种概念验证：它揭示了地球1.99亿到2.23亿年前的气候历史，奥尔森说，并从这些数据中推导出行星动力学。“这是地球历史上第一次出现一个确凿的里程碑，在此时，原本无法确定的天文参数是已知的，”怀特塞德说。除了行星动力学，天体仪还可以帮助揭示大规模灭绝等事件的时间，或追踪二氧化碳浓度随时间的变化，并显示它们如何与米兰科维奇周期相互作用以影响气候。而且，天体仪才刚刚开始探测可用的沉积记录。“令人惊讶的是，地质学为我们提供了沉积记录中30亿年的古气候变化记录，”乔治梅森大学的古气候学家琳达·希诺夫说，她没有参与这项研究。她说，这些数据可以提供天文参数，以便更好地预测当前气候的走向。
奥尔森说，他认为天体仪不是数十年工作的顶峰，而是地球物理学新篇章的开始。“我或多或少地将其视为一个过程的延续，”他说。“我认为一个人可以并且应该始终向前展望。”他强调最后几个字，提高了声音以强调它们的重要性。PNAS论文的结尾提出了一个雄心勃勃的计划，即追溯到更久远的过去，超越过去的3亿年。这将需要更多的钻探，而且该项目的规模最终可能会超过奥尔森在观测站的工作时间。在地质时间里，他的职业生涯——就像任何人类的生命一样——只是眨眼一瞬。面对这种短暂性，要理解数亿年来混乱的行星动力学似乎令人生畏。对奥尔森来说，这令人兴奋。
奥尔森说：“最令人兴奋的是，你无法用现代天文学或数学来告诉你数亿年前行星的运动实际上是什么样的。”但是沉积记录就在那里，等待着揭示它们的秘密。
*编者注（2019年4月10日）：此段在发布后进行了编辑。它最初指的是膨润土和锆石晶体提供的证据，以及在锆石晶体中记录的磁场反转。