六千六百万年前，地球经历了非常糟糕的一天。
一个山脉大小的撞击体以每秒数公里的速度从天而降，猛烈撞击了如今墨西哥尤卡坦半岛浅海区域。这次撞击释放的能量相当于 1 亿颗核弹，在地球地壳上凿出了一个宽 200 公里、深 20 公里的疤痕，并引发了巨大的地震、海啸和火灾风暴。全球气温骤降，食物链崩溃，遮天蔽日的烟尘和汽化岩石遮蔽了太阳，导致当时一半以上的物种（包括恐龙）灭绝。从灰烬中幸存下来的物种包括我们的哺乳动物祖先，为地球生命的新纪元奠定了基础。
这个行星大灾变一直笼罩在神秘之中，直到其中一位幸存者的遥远后裔，物理学家沃尔特·阿尔瓦雷斯在 20 世纪 70 年代和 80 年代拼凑出了它的轮廓。阿尔瓦雷斯和他的同事们在世界各地 6600 万年前的岩石中发现了一层碎片，这层碎片富含铱等元素，这些元素在地壳中极其稀少，但在小行星和彗星中却很丰富。他们最终将这层碎片的起源与导致恐龙灭绝的撞击以及现在被淹没的巨大疤痕联系起来：一个名为希克苏鲁伯的地点，阿尔瓦雷斯将其称为“末日陨石坑”。但几十年来，科学家们一直在争论更精细的细节：撞击体是小行星而不是彗星吗？如果是，又是什么类型？它来自浩瀚宇宙的哪个地方？以及，具有指示意义的铱和全球物种大灭绝是否有可能以某种方式是“本土制造”的，并非来自撞击，而是来自巨大的火山爆发，火山爆发从地球地幔的储层中喷射出富含稀有元素的岩浆？
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8 月 15 日发表在《科学》杂志上的一项研究现在提供了迄今为止最确凿的答案，通过对其碎片中发现的钌同位素的极其精确的测量，绘制了这场划时代事件的深层起源。这项工作最终表明，与阿尔瓦雷斯地层中的铱和其他稀有元素一样，这种钌并非来自火山活动，而是源自明显的外星来源。同位素丰度的细微变化强烈表明，传递钌的希克苏鲁伯撞击体不是彗星或普通的巨型太空岩石，而是一颗明显的“碳质”小行星，富含碳和有机化合物。
“我发现这些结果非常令人信服，”亚利桑那州立大学的天体物理学家史蒂夫·德施说，他没有参与这项工作。“它们与许多其他证据非常吻合。”这些证据包括早期对阿尔瓦雷斯地层中其他同位素和矿物质的测量，以及对少数科学家设法从古代沉积物和化石中回收的地球化学研究破碎撞击体的原始碎片。德施说，总的来说，现有证据表明，撞击体“可能不是彗星”。但是，绝对的确定性将需要对大量原始彗星物质进行更详细的同位素研究（研究人员尚未获得这些物质）。
马里兰大学的地球化学家理查德·J·沃克说，这篇新论文的“解释并不新鲜”，他与这项工作无关，他主要指的是 1998 年的一项研究，该研究基于对铬同位素的分析得出了类似的结论。“但这项研究提出了一个更加确凿的论断，即希克苏鲁伯撞击体是一颗碳质小行星。”
这种小行星相对罕见。据认为，它们形成于木星之外的外太阳系，在我们的世界本身合并之前，在巨行星之间轨道相互作用将它们大规模抛入内太阳系的小行星带之后，才到达那里，那时距今已有 45 亿多年，就在太阳开始发光后几百万年。科学家说，从冰冷的外太阳系大量导入有机物质，可能为新生地球提供了生物学的关键化学基石，以及现在充满海洋的大部分水。从宏大而近乎诗意的意义上讲，恐龙的灭绝和哺乳动物的兴起是在亿万年前就由同一个过程决定的，这个过程首先帮助启动了我们星球上的生命。
“这次撞击彻底改变了我们星球的面貌，并导致了哺乳动物生命的出现，”这项新研究的主要作者、德国科隆大学的地球化学家马里奥·费舍尔-戈德说。“它源于太阳系早期发生的一系列事件，因此在 40 多亿年后，你和我才能够坐在这里进行这次对话。”
钌是一种银白色金属，与铱和其他“铂族”元素一样，在地表或地表附近几乎完全找不到。这种稀缺性是因为这些是亲铁元素，或者说喜铁元素，当我们新形成的地球还只是部分熔融的炉渣球时，它们与地球内部的铁和其他致密金属结合，沉入形成难以接近的地核。这意味着现在地壳中几乎所有的铂族元素都是后来陨石、小行星和彗星撞击我们冷却后的地球而带来的。这使得这些元素成为地球大部分历史中撞击事件的极佳示踪剂。费舍尔-戈德说，对于希克苏鲁伯事件，“我们基本上可以假设在全球边界层中发现的钌 100% 来自撞击体本身。”
费舍尔-戈德说，钌特别有用，因为它提供的同位素比大多数铂族元素都多，可以进行检查。反过来，这些同位素与不同的天体物理产生途径有关——例如，有些同位素通过短寿命大质量恒星的超新星爆炸迅速形成，而另一些同位素则在中等大小恒星缓慢酝酿的内部逐渐组装而成。研究人员可以计算出应该从这些过程中产生的同位素比率，从而让他们交叉检查观察到的丰度变化是否与此类宇宙效应有关。
所有这些同位素都可以在星尘斑点上进入巨大的分子云，最终结合到行星、小行星和彗星中，而行星、小行星和彗星是在这些云坍缩形成新的恒星系统时诞生的。最重要的是，大约 15 年前，科学家们发现小行星表现出一种奇特的同位素二分法：在木星内部形成的更多石质小行星具有一种同位素比率排列，而在更远处形成的碳质小行星则表现出另一种排列。总而言之，这是一个利用来自任何给定撞击体微量同位素材料的丰度变化来确定其是否为碳质，从而确定其形成的大致区域的方法。
加利福尼亚大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所的地球化学家詹姆斯·戴说：“同位素中这些恒星核合成变化有助于追踪太阳系不同部分在其早期形成过程中的演化。”他是这篇论文的审稿人。“令人兴奋的是，马里奥和他的团队已经使用这些钌同位素作为指纹来识别希克苏鲁伯撞击体的来源。”
在他们的研究中，费舍尔-戈德和他的同事们总共使用了一种称为多接收器电感耦合等离子体质谱法的先进技术，分析了七种钌同位素。他们从全球三个不同地点的臭名昭著的恐龙灭绝层以及两个碳质陨石和过去 5 亿年中发生的来自不同撞击的五个其他陨石坑中取样。此外，他们还从更古老的岩石（大约 35 亿年前）中寻找钌，这些岩石包含与那个遥远时期的大量撞击相关的碎片。
费舍尔-戈德说：“通过测量所有七种钌同位素，并检查它们的比率是否与天体物理过程预期的模式相符，我们可以区分并排除地球效应。”“这就是为什么这就像指纹一样——这些比率是由恒星内部的热核聚变等因素设定的，地球上的任何过程都无法复制。我们测量了，我们检查了，一切都对齐了……因此，对于希克苏鲁伯事件，我们的结果不仅表明它是一颗碳质小行星，而且还彻底否定了这些铂族元素来自火山活动或任何其他地球起源的想法。”
这项工作非常艰苦，需要从更大质量的岩石中费力地分离出仅仅纳克级的钌，而钌在岩石中的浓度非常低，仅为十亿分之几。
沃克说：“对于许多这些样品，我们谈论的是取一块拳头大小的材料，20 到 30 克的岩石，然后提取出你可能不用显微镜就看不到的小点。”“这就是你必须做的，才能达到这种令人难以置信的高精度同位素测量。”
费舍尔-戈德承认：“这是一项艰苦的工作，”他指出，他已经花了十年时间来磨练他的技术。“我是德国人，所以我通常很谦虚，但我可以放心地说，我是这方面的世界领先专家——因为它太乏味了，地球上只有少数人在做这件事。”
所有这些乏味的工作都得到了回报。在过去 5 亿年研究的撞击事件中，只有希克苏鲁伯显示出明显的碳质外太阳系钌同位素混合物；其他五个撞击事件带有起源于更靠近太阳的石质撞击体的特征。最古老撞击事件的钌比率也表明是碳质撞击体——这一发现与其他大量证据一致，这些证据表明，在地球历史的最初十亿年左右，地球受到了来自外太阳系的物质的轰击。大多数专家说，这源于一种奇怪的动力学不稳定性，这种不稳定性在太阳系形成后不久重新排列了巨行星的轨道，将撞击体阵雨送向太阳。费舍尔-戈德和其他人说，未来的工作可能包括研究来自各种来源（包括彗星和月球陨石坑）的钌和其他同位素，以进一步阐明地球漫长历史中的关键撞击事件，并查明导致恐龙灭绝的碳质小行星的确切亚型。
仍然存在的两个显而易见的问题是，希克苏鲁伯撞击体在从外太阳系喷射出来数十亿年后是如何到达地球的，以及下一次类似规模的末日岩石何时会撞击地球。科罗拉多州博尔德市西南研究所的行星科学家比尔·博特克没有参与这项研究，他认为他和他的同事已经在 2021 年发表的一篇论文中提出的动力学建模中找到了这两个答案。“我们提出了一个很好的动力学原理，说明撞击体来自哪里——从小行星带的中心到外围，”博特克说。“我会说我们的工作仍然是最先进的。”
2021 年的论文还估计，希克苏鲁伯级别的天体应该每 2.5 亿到 5 亿年撞击地球一次——这表明我们在近期内不太可能面临另一次灾难性的小行星撞击。