小行星尘埃或能解开行星形成之谜

这个烤面包机大小的舱体以每秒12公里的速度冲入我们的大气层，在其火热的下降过程中承受了3000摄氏度的高温，然后展开降落伞以减缓速度。它继续下落，直到最终在澳大利亚内陆的陆地上着陆。几小时内，科学家团队利用雷达定位了舱体的着陆点，并乘坐直升机赶去回收。舱内装载着小行星碎片，这是历史上最大的一次收获，这些碎片是在距离地球数百万公里的地方捕获并安全带回地球的。

这一事件是日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的“隼鸟2号”任务前往小行星“龙宫”的高潮，发生在当地时间2020年12月6日星期日。这仅是第二次（第一次是其前身“隼鸟号”任务，于2003年发射）航天器将小行星碎片带回地球。科学家们希望通过这些样本来解答有关我们太阳系和我们自身星球历史的难题。像“龙宫”这样的小行星有多古老？它们含有多少水和有机物质？它们是否可能在数十亿年前首次将生命的原始成分带到地球？

当大多数“龙宫”研究小组都在努力解决这些宏大的问题时，一个更为精英的团队将专注于另一个看似较小但却引人入胜的问题： “隼鸟2号”的样本是否包含几乎所有已知陨石中都存在的一种神秘成分。到目前为止，没有人能够解释这种成分的起源，但这样做的意义却非常重大。它可能不仅向我们揭示太阳系的一些模糊历史，还可能揭示我们太阳行星群形成的整个过程中前所未见的细节。在我们对地球——事实上，宇宙中任何行星——如何形成的理解中，可能没有什么比球粒陨石的谜团更重要的了。

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球粒是小的、种子状的岩石，直径最大只有几毫米，据认为是在大约45.5亿年前，即我们太阳系诞生后不久形成的。从那里，它们被嵌入到更大的岩石中，称为球粒陨石，球粒陨石构成了人类在有记录的历史中发现的大约60,000颗陨石的大部分。

“球粒无处不在，”芝加哥大学行星科学家弗雷德·切斯拉说。即便如此，科学家们在近两个世纪的时间里一直未能就它们的形成方式达成一致。有些人认为它们是行星形成的副产品；另一些人则认为它们是行星形成本身的种子。无论哪种方式，球粒形成情景的选择范围都很广，从闪电熔化的尘埃到原行星的碰撞碎片，再到巨大的气体加热冲击波，这些冲击波在围绕着我们新生太阳的原始物质云中荡漾。

换句话说，理解球粒的形成可能揭示我们太阳系最早的时刻。现在，随着来自“隼鸟2号”等任务的最新或预期结果以及其他研究途径，痴迷于球粒的科学家们正处于解答长期以来关于它们——或许还有我们——来自何处的问题的风口浪尖。“它们是通往太阳系最早时期的彩色玻璃窗，”罗文大学的宇宙化学家和球粒专家哈罗德·康诺利说。“它们是早期太阳系中运行过程的见证者。问题是，它们见证了什么？”

火滴

1802年，英国化学家爱德华·霍华德是最早认识到球粒是陨石中“圆形小球”的科学家之一。它们的名称后来由德国矿物学家古斯塔夫·罗斯和奥地利矿物学家古斯塔夫·切尔马克命名，源自希腊语chóndros（“颗粒”）和德语kleine kugeln（“小球”）。1877年，英国科学家亨利·索尔比将更详细地描述它们，将球粒描述为“火雨滴”，即围绕太阳凝结的熔融小球，尽管当时和现在一样，没有人确切知道它们是如何形成的。

我们太阳系形成的概况更加清晰。这个创造故事是科学家们通过数十年的观察和建模组装起来的，它始于45.5亿多年前，当时来自巨型分子云的尘埃和气体在引力作用下坍缩，形成了一颗将成为我们太阳的原恒星。这颗原太阳被一个旋转的气体和尘埃盘包围着。在这个盘内，引力、空气动力学和静电力共同作用，使尘埃颗粒粘在一起，形成越来越大的团块——例如星子，行星的公里级构建块——并在几百万年内，星子聚结成行星。这些世界逐渐稳定成我们今天熟悉的形状和轨道。但是，如果这个故事的轮廓是清晰的，细节仍然是神秘的。球粒出现在开篇章节中，介于从尘埃到星子的飞跃之间。你如何从微观的微粒变成数千公里宽的整个世界？

球粒本质上是岩石中的岩石。它们以圆形斑点的形式出现在球粒陨石中。有些肉眼可见，而另一些则只能在显微镜下看到。球粒的丰富程度再怎么强调也不为过：尽管已知没有球粒能在并入行星的过程中幸存下来，但它们在地球外非常常见，通常构成球粒陨石内的大部分物质。有些球粒陨石中充满了球粒，看起来几乎像一堆珠子。

球粒由橄榄石和辉石等矿物以及有时是玻璃制成，它们本身具有多种形状、大小和成分。它们通常包含闪闪发光的晶体阵列。科学家可以通过测量它们所含的短寿命放射性同位素铝26的丰度，将它们的形成时间追溯到大约45.67亿年前的几百万年窗口期。这个年代表使球粒成为我们太阳系中第二古老的可识别物体，仅次于钙铝富集物（CAI），陨石中的白色斑点，据认为它们是在早100万到300万年通过从围绕着我们年轻太阳的气体中凝结出来而形成的。

球粒陨石有很多类。例如，普通球粒陨石充满了球粒，占每10颗含球粒的太空岩石中的9颗以上。碳质球粒陨石约占所有球粒陨石的4%，通常具有高丰度的碳；碳含量最高的球粒陨石被认为是在外太阳系形成的。一个称为CI球粒陨石的亚群只拥有微观球粒，因为较大的球粒被曾经流过母体的液态水风化掉了。CB球粒陨石的独特之处在于，它是唯一一种对其形成方式几乎达成普遍共识的球粒陨石。“我们认为这些是在一次巨大的撞击中形成的一类，”伦敦自然历史博物馆的行星科学家萨拉·罗素说。这种确定的来源使它们“有点神奇”。

至于所有其他球粒陨石品种的确切起源？这些仍然是任何人的猜测。“这令人沮丧，但我们不知道也很有趣，”罗素说。“它们显然在告诉我们一些关于我们太阳系如何形成的普遍存在的、超级重要的过程。我们只需要弄清楚那是什么。”

一个不可能解决的问题

2000年，在休斯顿的月球与行星科学会议上，当哈佛大学时任职的约翰·A·伍德，陨石学中最受尊敬的科学家之一，似乎承认在理解球粒的起源方面失败时，在场的观众感到震惊。和之前的许多人一样，伍德在第一次见到球粒时就被它们迷住了。“[这些]小石球如此迷人、有趣和神秘，我简直被它们迷住了，”他说。但他对已经取得的进展感到沮丧。“我们仍然不明白陨石在告诉我们什么，有时我怀疑我们是否会明白，”他在他的演讲摘要中写道。几年后，面对资金不足，他选择退休，将注意力转向油画，并与妻子共度时光。“我完全戒掉了科学，”伍德说。

这次演讲让很多人感到震惊。“他基本上说他浪费了一生的时间研究球粒，因为这是一个不可能解决的问题，”华盛顿特区卡内基科学研究所的宇宙化学家科内尔·亚历山大说。“这让很多人非常沮丧。”同样在卡内基研究所担任宇宙化学家的拉里·尼特勒当时也在观众席上，他说他“实际上站起来”为球粒研究辩护。“我说，‘我仍然对这些来自太空的不可思议的岩石感到兴奋，’”他回忆说。“我不认为我在我的职业生涯中为我所做的任何事情获得过如此多的关注或赞扬。整个房间都爆发了掌声。”

伍德的悲观情绪是可以理解的。毕竟，空间科学家已经成功地明确解决了许多看似棘手的谜团。他们梳理了宇宙存在的最初时刻，发现了其他恒星周围的世界，观察到了引力波，并捕捉到了黑洞的图像。与这些成就相比，卑微的球粒顽固的谜团似乎比其已经很小的地位还要小。今天，有关于球粒形成的理论，笑话是，和球粒科学家本身一样多——而且明天不可避免地会有更多。

球粒的问题从一开始就是代际的，激励了一代又一代人尝试解决这个问题，但成功程度各不相同。主要问题是找到一个模型，可以解释球粒所有不同的、多样的特性。“没有模型可以勾选所有框，”亚历山大说。为了使球粒形成，尘埃必须在早期太阳系的某个过程中被加热到高达2000摄氏度的温度，然后在几天甚至几小时内迅速冷却。无论这个过程是什么，最有可能发生在整个太阳系；这似乎是解释在地球上的球粒陨石中发现的大量球粒的唯一方法。在球粒中心发现的累积尘埃的明显环状结构表明，它们也一定在我们新聚结的太阳周围的尘埃环境中漂流了一段时间。

大多数球粒科学家分为两个阵营。第一阵营认为，球粒是太阳系中最早出现的固体物体之一，直接从太阳星云——围绕着我们年轻太阳的尘埃和气体云——形成。这将使球粒成为从小尘埃到更大的公里级星子的关键垫脚石。第二阵营认为，球粒不是最早形成的固体，而实际上是在星子之后——甚至在行星本身之后——出现的。在他们看来，它们是行星形成过程的副产品，而不是行星形成过程的积极组成部分。

在第一阵营中，一种观点认为，我们太阳周围的尘埃和气体盘中的引力不稳定性导致了“冲击阵面”，这些冲击阵面将一些尘埃熔合成球粒。“如果你看一张星系的图片，你会看到旋臂盘旋，原行星盘中也会发生同样的事情，”英国曼彻斯特大学的宇宙化学家瑞安·琼斯说。“你可以产生与团块状旋臂和气体之间密度差异相关的冲击阵面。”

与此同时，更为激进的星云闪电模型提出，太阳周围的尘埃和气体颗粒之间的摩擦引发了巨大的放电，这些放电将尘埃熔合成球粒——尽管尚不清楚这种闪电是如何产生的。一些模型提出，球粒制造工厂从被旋转的原行星盘中巨大磁场捕获的电流片中涌现出来。这种“热点”可能跨越数万甚至数十万公里，并将尘埃颗粒融化，从而大量产生原始小球。

在另一个阵营中，他们的成员认为球粒是在星子之后形成的，更突出的模型之一被称为撞击喷射。在这里，星子会以高速碰撞，产生产生球粒所需的热量。“它本质上喷射出一些熔融物质，这些物质可能会分裂成液滴，”普渡大学的行星科学家布兰登·约翰逊说。这种模型的变体，称为飞溅，将涉及较低速度下熔融物体之间的碰撞，将液滴释放到太空中，这些液滴凝固成球粒。

与此同时，星云冲击模型认为，在星云中移动的火星大小的行星胚胎可以像在水中航行的船只一样，将尘埃熔合成球粒。“当它以超音速穿过气体时，它会驱动弓形激波，”亚利桑那州立大学的天体物理学家史蒂文·德希说。“球粒前体，即这种尘埃，通过进入这种压缩的热气体而被加热，并被其处理。”

其他想法包括辐射加热，这是某些模型中相对较新的内容，它表明，低空飞过熔融体的星子可能会被烤焦，然后冷却以产生球粒。经过这种自然“热处理”的岩石会更坚固，并且更有可能在穿过地球大气层的过程中幸存下来，这可以解释为什么我们发现的大多数陨石都是球粒陨石。“陨石被硬化了，地球大气层是一个过滤器，它偏向于非常致密和坚硬的东西，”卫斯理大学的天文学家威廉·赫布斯特说，他是这个想法背后的研究人员之一。

针对这种日益高涨的理论潮流，一些更疯狂的观点已经被排除在外。来自太阳系外部的事件，如伽马射线暴——来自中子星或黑洞合并等来源的巨大能量爆炸——曾经被认为是可能的，但现在由于涉及的距离太远而似乎不太可能。即便如此，仍然存在许多模型，并且由于行星形成根本没有真正预测到球粒，情况变得更加复杂。“我们可以构建一个关于行星如何形成的故事，而无需调用球粒形成，”切斯拉说。“很明显，我们遗漏了故事的一部分。”

缩小剩余理论中哪一个是正确的范围很困难，而且争论可能会变得激烈。“在陨石学中交朋友和树敌的最佳方法是发布另一个球粒形成模型，”康诺利说。关键在于球粒在我们太阳系中扮演的角色。如果它们是最早形成的固体之一，那么在我们年轻的太阳周围发生了一些不可避免的过程，这可以解释行星形成是如何在大多数恒星周围开始的。但如果不是，那么它们是否比曾经认为的对这个过程不那么重要？

“我现在把我的钱押在碰撞上，”加州大学伯克利分校的行星科学家尤金·张说。“坦率地说，这让[它们]变得不那么有趣了。因为如果你对行星形成感兴趣，这意味着球粒不是最原始的物体。它们是次要产品。”

烹制球粒

我们关于球粒形成的大多数想法都来自对早期太阳系进行建模以及在地球上进行实验以复制不同的形成方法。曼彻斯特大学的陨石科学家艾米·史密斯和她的同事是世界各地进行此类实验的几个团队之一，他们将化学物质混合成粉末，以模拟不同类型的已知球粒成分。然后，他们将粉末放入炉子中，将其加热到极高的温度，持续数小时到数天不等，然后在冷却以模拟不同的形成模型。“如果我们得到看起来类似于我们研究过的天然球粒的球粒，那么我们就会对它们是如何形成的有一个更好的了解，”史密斯说。

诸如此类的实验旨在与太阳系建模协同工作。“实验只是定义了球粒的条件，”史密斯的合作者琼斯说。“但是模型正在尝试提出满足这些条件的情景。”在我们的太阳系中，这种建模开始描绘其最早时刻的新图景。

最近对陨石中同位素比率的测量工作表明，早期形成了两个不同的球粒陨石库——一个在内太阳系，一个在外太阳系，外太阳系的球粒可能是在单独产生的。在木星最初形成的位置比现在更靠近太阳两倍以上之后，这些独立的种群混合在一起，迁移到目前的位置，这种想法被称为大迁徙假说。如果这是真的，这将表明我们太阳系动荡历史的故事就存储在球粒本身中，这为我们提供了另一个理由来仔细关注它们。

在其他地方，对其他太阳系——特别是年轻恒星周围的尘埃和气体原行星盘——的观测正在产生关于球粒可能形成情景的信息。2014年，时任亚利桑那大学研究生的天体物理学家黄焕和他的同事报告了来自地球1000多光年外一颗名为NGC-2547 ID8的恒星周围的红外闪光——这是潜在的原行星撞击的证据。尽管尚未明确与球粒的形成联系起来，但至少这项观测表明，在年轻的系统中，确实会发生足够剧烈的碰撞来制造它们。“在[我们]的论文之前，我们没有任何关于任何系外行星撞击的直接硬证据，”孟说。

未来，天文学家还应该能够使用更高分辨率的图像来探测年轻恒星周围的尘埃分布，这可能会使完善一些球粒形成模型成为可能。“随着技术和望远镜的改进，现在我们可以开始看到年轻恒星周围的尘埃产生，”法国国家科学研究中心的行星科学家伊夫·马罗基说。“也许在不久的将来，我们可以看到球粒的形成[过程]。”此类望远镜可能包括美国宇航局（NASA）多次延迟的詹姆斯·韦伯太空望远镜，该望远镜计划于今年10月发射。

如果球粒是恒星周围最早形成的固体之一，那么它们可能是随后行星形成的关键催化剂，特别是从尘埃大小的物体到公里大小物体的飞跃。“当您需要毫米到公里大小的物体来实际形成行星的岩石母体时，存在一个缺口，”康诺利说。“在这个缺口中发生的事情变得非常重要。”也许球粒甚至更重要；一种行星形成模型，卵石吸积，假设较大的物体扫过卵石状的尘埃，长大成行星。那些卵石实际上可能是球粒吗？“我们不知道它们是否相同，”莱斯大学的行星科学家安德烈·伊齐多罗说。他说，找出答案可能需要“大量的小行星样本”。碰巧的是，我们刚刚得到一个。

“没有一句话的答案”

早期评估显示，“隼鸟2号”成功从小行星“龙宫”带回了超过5克的物质。据JAXA样品分析团队负责人立花正悟称，这应该足以确定是否存在球粒。他和他的团队在今年年初，在样品从澳大利亚运回日本后，开始研究这些样品。他们的大部分结果仍在陆续公布。“我们不知道‘龙宫’中的球粒是否与在其他球粒陨石中的其他类型的球粒不同，”立花说。“龙宫”似乎与地球的碳质球粒陨石相似，因此大多数专家预计样本中会存在球粒，但截至撰写本文时，尚无人知晓它们是会类似于已经收集的球粒，还是会像以前从未见过的东西。

“隼鸟2号”的样本有可能根本不包含球粒。“我认为这对于球粒界来说将是令人震惊的，”赫布斯特说。“如果那里没有球粒，并且看起来那里从来没有球粒，那么也许球粒形成不是一个如此普遍的过程，”罗素说。

“隼鸟2号”于2018年10月部署到“龙宫”上的一个名为MASCOT的着陆器的早期结果已经让科学家们感到兴奋。来自着陆器的图像显示表面有许多白色标记，这些标记可能是CAI，但也可能是球粒。“我们感到惊讶的是，我们真的可以看到[这些标记]，而且有很多，”德国航空航天中心（DLR，德国航天机构）MASCOT科学团队负责人拉尔夫·乔曼说。只有对地球上的样本进行化学研究才能揭示这些标记的性质。

如果“隼鸟2号”的样本中存在球粒，并且如果它们与科学家们已经研究过的球粒相似，那么就有可能查明它们形成的位置、时间和甚至条件。但是，如果样本包含新型球粒，则可能为太阳系起源的更大问题提供新的视角。康诺利等科学家将欢迎这种情况。“我当然希望有一些惊喜，并且我们发现我们没有预料到的物体，”他说。即使不存在球粒，这也可能仅仅表明，由放射性衰变、撞击和其他来源释放的热量液化形成的水早已抹去了其球粒的证据，类似于地球上发现的CI球粒陨石的起源。

“隼鸟2号”并不是唯一一个为球粒科学家准备了地外礼物的样本返回任务。NASA的OSIRIS-REx探测器计划于2023年9月带着最近采集的样本返回地球，样本来自另一颗名为“贝努”的小行星，预计该小行星富含球粒。“如果我们没有在材料中发现球粒，那将真的令人失望，”康诺利说，他也是OSIRIS-REx团队的成员。“我期待着找到我认识的球粒和我不知道的球粒。”

如果研究人员最终能够明确地确定球粒是如何形成的，那么这将大大有助于揭示它们是否对地球和我们太阳的其他小世界的后续创造至关重要。当然，前提是最终揭示的创造故事相对简单。然而，一些专家怀疑不会找到简单的解决方案，部分原因是多个理论是正确的。“我不认为这是一个一句话的答案，”加州大学戴维斯分校的行星科学家莎拉·斯图尔特说。“可能有很多液滴以不同的方式制造出来。”罗素同意：“我最喜欢的理论是，每个人都是对的。所有这些过程都发生在太阳系中的某个地方。有冲击波，有撞击，有弓形波，有闪电。我认为这些事情都发生了，它们都形成了类似球粒的物体。”

这可能意味着伍德在他发表臭名昭著的、职业生涯的总结性失败宣言时，一直走在正确的轨道上：如果几乎每个关于球粒创造的想法都反映了太阳系远古历史中实际发生的过程，那么它们之间可能就没有什么意义重大的区别。但是，这种可能性不会阻止新一代人像他们的前辈一样尝试。“如果让我重新做一遍，我会做出同样的尝试，”伍德说。对于任何追随他脚步的人？“我会祝他们好运。”