在所有科学中,天文学尤其出色地阐明了我们在宇宙中的位置。但鲜为人知的是,我们对外层空间的许多理解都来自另一个学科:地质学。如果问某人说出我们用来揭示宇宙秘密的工具,他们可能会说是望远镜,而不是显微镜或岩石锤。
但如果你仔细想想,几乎所有我们能从外太空获得的物质都是岩石。是的,太空硬件的碎片有时会安全返回地球;是的,来自太阳风的粒子在2004年被NASA的“起源”号任务安全带回地球。但是,我们地球上拥有的外星岩石数量超过了所有这些的总和。我们有来自月球的岩石,这要归功于阿波罗和月球任务;我们也有月球岩石和来自火星的岩石,它们被小行星撞击这些天体表面而喷射到太空,最终漂流到我们星球附近并以陨石的形式坠落到地球。我们有来自彗星的岩石,这要归功于“星尘”号任务;以及来自小行星带,来自天空如雨点般落下的陨石。我们可能很快就会拥有来自小行星贝努的岩石,因为NASA的OSIRIS-Rex样本返回任务已经成功着陆。我们可以研究小行星以超音速撞击地球表面所造成的撞击坑遗迹。
原始太阳系碎片
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事实上,岩石实际上是我们能够掌握外层空间碎片的唯一途径。望远镜和机器人太空任务虽然功能强大,但也只能带我们走这么远,而从天体岩石——尤其是陨石——我们了解了太阳系及更远的地方。虽然陨石在许多人心中占有特殊的地位(包括我),但它们仍然是岩石,正如老话说的那样,没有人比地质学家更了解岩石。因此,就像我们对待任何古老的地球岩石一样,我们使用地质学的工具来理解来自太空的岩石。
所有恒星都始于星云在引力作用下坍缩;最稠密的部分,在中心,变成了恒星本身;其余部分形成一个旋转的、煎饼状的气体和尘埃云,称为原行星盘。这些盘开始结晶成微小的岩石尘埃微粒,最终聚结形成小行星、彗星和行星。我们通过ALMA和哈勃等望远镜对实时发生的这个过程进行了望远镜观测,但我们只能从数光年之外了解这么多。
陨石为我们提供了微观视角,了解我们太阳系形成的原行星盘,因为许多陨石仍然保存着这些原始的岩石尘埃微粒。毫不夸张地说,它们是原行星盘的碎片。最早认识到这一点的人之一是英国地质学家亨利·克利夫顿·索比,他在1877年的一次讲座中说,“陨石是宇宙物质的残留物,没有聚集形成行星。” 他得出这个惊人结论是基于他通过地质显微镜研究地球岩石而获得的知识和技能。索比的伟大见解永远地改变了我们对陨石和太阳系的看法。
在过去的150年中,通过在实验室中分离这些尘埃微粒,我们已经了解了它们的地质特征,并从中自信地推断出我们自己新生的太阳系和银河系中其他太阳系中存在的环境类型。如果没有陨石和关于地球岩石如何形成的知识,这些早已消失的环境将完全超出我们的能力范围,行星系统像钟表一样形成的机制几乎不可能确定。
由于陨石是由原始物质制成的,因此陨石是我们实际上可以掌握的最古老的物体。通过对它们进行年代测定,我们为婴儿太阳系及其内部发生的事件设定了高精度的时间尺度。我们使用与地球岩石年代测定相同的地质学工具来测定陨石的年代:放射性年代测定法。事实上,太阳系本身的年龄——4,567,000,000年(即45.67亿年)——是由陨石中铀衰变成铅的放射性衰变定义的。专门从事岩石年代测定的地质学家(年代地质学家)已将此年龄测量到正负16万年——相当于知道从英国曼彻斯特到美国纽约市的距离误差在几百米之内)。
巨大的撞击
在离家更近的地方,地质学家——也许没有比已故的尤金·“吉恩”·舒梅克更出名的了——在理解我们自己星球在太空中的位置方面发挥了关键作用。在1950年代,接受过地质学训练的舒梅克和他的同事在亚利桑那州巴林杰陨石坑(又名“流星陨石坑”)周围的岩石中发现了冲击石英(一种仅在来自太空的撞击造成的极端压力下形成的矿物),并成为第一个明确证明其外星起源于小行星与地球碰撞的人。(当时,关于陨石坑是由小行星引起的还是仅仅是死火山的喷口的争论。)地质测绘和更多冲击石英的发现也使舒梅克和他的同事们确定了第二个撞击坑:德国巴伐利亚州宽15英里的诺德林根里斯撞击坑。舒梅克对陆地撞击坑的研究使他在1960年代重新提出了一个古老的观点,即月球上的陨石坑是由撞击形成的:今天,我们知道他是对的,并且认识到月球表面确实布满了来自太空撞击的疤痕。
我们也要部分感谢舒梅克带来的阿波罗登月岩石。利用他的地质野外技能,他训练宇航员如何采集岩石样本;宇航员带回的这些样本彻底改变了我们对月球的看法。(关于这一点,唯一一位登上月球的科学家,哈里森·“杰克”·施密特,他乘坐阿波罗17号(该系列的最后一艘)到达那里,是一位地质学家)。
1997年,舒梅克成为第一个(也是唯一一个)被安葬在月球上的人,当时他的一些骨灰被送上了“月球勘探者”号宇宙飞船。
因此,就这样,我将改述一句老话:没有人比地质学家更了解太空岩石。而且,事实证明,太空岩石(陨石和月球岩石)和撞击坑,当通过地质学的视角观察时,可以告诉我们很多关于宇宙的信息。