地球表面不断地被太空尘埃洒满。外星物质在其数十亿年的历史中一直不断地降落在我们的星球上——这种天体阵雨每天都在持续。较大的岩石和金属块是最引人注目的例子，它们在火热地穿过高层大气时呈现出耀眼的流星，偶尔会到达地面成为陨石。但落到地球上的大部分太空物质都非常小，尺寸在亚毫米级。
过去，研究人员试图估量随着时间推移到达地球的这种微陨石的数量，但在一个不断搅动自身尘埃的星球上，解析宇宙尘埃是困难的。
现在，在一项最近发表在《地球和行星科学通讯》杂志上的研究中，一个测量南极洲原始雪地中微陨石积累的团队提供了迄今为止对外来天体碎片进入量的最佳估计。通过清洁的采样技术和尘埃沉积物的精确年龄，研究人员计算出每年约有 5,200 公吨的微陨石降落到地球上。
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太空尘埃的理想之地
格陵兰岛和南极洲等常年被冰雪覆盖的极地地区是微陨石研究的热点，因为它们地理位置偏僻且环境稳定。来自地球其他地方的少量物质到达这些偏远地区，使得几乎不变的冰盖能够吸收太空尘埃，并将污染降至最低。持久的冰层也为研究人员提供了一种标记微陨石年龄的方法，以年复一年的年度积雪层来表示。
虽然两极都具有微陨石研究的潜力，但巴黎-萨克雷大学的宇宙化学家让·杜普拉更喜欢南极冰。“南极是迄今为止最好的，因为你被海洋包围——你与大陆完全隔离，”本研究的合著者杜普拉说。
在过去二十年中跨越三个野外考察季，杜普拉和他的同事访问了位于南极洲 Dome C 地区法意联合康科迪亚站，以收集微陨石。Dome C 位于大陆内陆 1,100 公里处，海拔超过 3 公里，实际上是收集宇宙尘埃的完美地点。
巴黎-萨克雷大学的博士生、该研究的主要作者朱利安·罗哈斯指出，Dome C 的降雪“累积率相当低，但足以屏蔽和保存颗粒”。罗哈斯说，每年积雪层的薄度使研究小组能够在一个地点收集数十年的年度微陨石沉积物，而无需融化大量的冰。
南极微陨石。图片来源：© J. Duprat, C. Engrand 和 CNRS
宇宙尘埃的特写
研究人员从 1995 年之前的沉积物开始他们的工作，然后他们挖掘更深、更早的层。这是为了避免自 1996 年康科迪亚野外站正式建立以来可能产生的人为污染。
多年来，杜普拉逐渐意识到研究人员自己也在无意中将少量但重要的陆地尘埃带到现场，污染了他们的样本。对收集和处理的仔细调整最终解决了问题：每个雪样本都密封在聚乙烯桶中，然后运送到洁净室进行融化和筛分。
在从雪中过滤出尘埃后，研究小组使用了电子显微镜、X 射线光谱学和其他技术来分析 2,000 多个颗粒，尺寸范围从 12 微米到 700 微米不等。来自太空的尘埃通常会显示出几个明显的特征——例如，球形（来自进入大气层时的融化）或明显非地球的化学同位素分布。一系列分析方法使研究小组不仅能够识别宇宙尘埃，还能追踪每个外星粒子的最可能来源。
罗哈斯说：“我们试图专注于未融化的微陨石，这些微陨石在其他收藏品中很少被收集到，因为它们非常脆弱，很容易被破坏。” “我们的收集协议允许我们保存它。”
研究小组发现，超过 60% 的尘埃可能来自木星族彗星，这些彗星受到这颗巨行星引力的影响，轨道周期缩短至 20 年以下。大约 20% 的尘埃可能来自主小行星带。“来自彗星的尘埃比来自小行星的尘埃更蓬松，”罗哈斯说，并补充说彗星物质也往往富含有机物，这在木星族彗星中很典型。
美国宇航局宇宙尘埃收藏馆的行星科学家和馆长马克·弗里斯说：“陨石和宇宙尘埃是这些非常好的互补性天体物质集合。”他没有参与这项研究。他解释说，小行星往往是内聚的岩石体，会在地球表面留下碎片和碎块。“彗星不像小行星那样具有内聚性，”他说，并补充说，松散的“蓬松”物质很容易分解，导致宇宙尘埃的沉积。
弗里斯说，来自宇宙尘埃的有机化合物可能对地球上生命的起源至关重要。他补充说，降落的太空尘埃“可能为地球表面增加了相当数量的挥发物总量：水、碳和其他对生命起源前的化学和生命的兴起非常重要的物质。” “了解这些颗粒的完整成分范围，可以让我们了解太阳系内部——特别是小天体的成分快照。”
一旦研究人员成功地提取了尘埃，并根据 Dome C 年度降雪设定的逐年时钟绘制了其丰度图，他们就可以计算出进入的外星尘埃的通量。当研究小组将 Dome C 的测量结果扩大到整个地球时，他们发现每年有 4,000 至 6,700 公吨的太空尘埃降落到地球上。
尘埃吨位范围本质上是一个统计问题，反映了从一系列有限的局部测量中推断全球效应的内在困难。“根据雪的体积，仅仅通过计算颗粒，您就会预期存在一定的不确定性，”罗哈斯说。
美国海军研究实验室的地质学家凯特·伯吉斯没有参与这项研究，但她对这项研究印象深刻，但她警告说，它的估计不可能是最终结论。“计数成百上千的颗粒——要尝试获得足够的颗粒以获得足够好的统计数据，从而消除该数字中的任何统计误差，这需要做很多工作，”她指出。
伯吉斯特别指出，来自彗星的尘埃输入量会随着时间推移而波动，这取决于轨道力学的变化、彗星出气率以及许多其他不一定被很好理解的变量。“这些[是]瞬态来源，”她解释说。“如果它们来自特定的木星族彗星，这些彗星会周期性且相对规律地经过，但不是持续不断地经过。”
一小步
虽然外星尘埃界的人们都知道每年有数千公吨的尘埃降落在地球上，但伯吉斯赞扬研究人员“能够比之前的一些研究更严格地限制这些微陨石积累的时间量”。
她说：“从我们这个圈内人士的角度来看，这是一项非常出色的工作。” 弗里斯表示赞同，并补充说，“科学界长期以来一直渴望获得该团队收集的这种样本”——也就是说，新鲜、干净且以细致的精确度和谨慎收集的样本。
巧合的是，今年是美国宇航局宇宙尘埃收藏馆成立 40 周年。弗里斯说，他的同事已经在想他们如何才能从南极洲获得一些这些珍贵的标本。“科学家们正在寻求这些，”他说。“这非常及时。”
本文的一个版本，标题为“尘埃落定之时”，经过改编后收录在 2021 年 7 月号的《大众科学》杂志中。