我同情天文学家。他们只能遥远地看到他们所爱慕的对象——恒星、星系、类星体：以电脑屏幕上的图像或从冷冰冰的光谱仪投射出的光波的形式。然而，我们这些研究行星和小行星的人，可以抚摸我们所钟爱的天体的碎片，并诱使它们揭示其最深层的秘密。当我还是天文学专业的本科生时，我曾花费许多寒冷的夜晚通过望远镜观察星团和星云，我可以证明，握着小行星的碎片更令人感到情感上的满足；它提供了与原本可能显得遥远和抽象的事物的一种有形的联系。
最让我着迷的小行星碎片是球粒陨石。这些陨石占观测到的坠落陨石的 80% 以上，它们的名称来源于几乎所有陨石都包含的球粒——微小的熔融物质珠，通常比米粒还小，在太阳系早期小行星形成之前就已形成。当我们用显微镜观察球粒陨石的薄片时，它们变得非常美丽，不像瓦西里·康定斯基和其他抽象艺术家的某些画作。
球粒陨石是科学家们触摸过的最古老的岩石。放射性同位素测年显示，它们可以追溯到 45 亿多年前，行星形成之前，那时太阳系仍然是天文学家称之为太阳星云的动荡旋转的气体和尘埃盘。它们的年龄和成分表明，它们由原始物质组成，行星、卫星、小行星和彗星最终由这些物质组装而成。大多数研究人员认为，球粒是在高能事件期间，富含硅酸盐的尘埃团熔化形成单个液滴时形成的。液滴迅速凝固并与其他物质（尘埃、金属和其他材料）积聚在一起形成球粒陨石，球粒陨石后来长大成为小行星。小行星之间的高速碰撞导致它们破碎和剥落；最终，一些碎片作为陨石坠落到地球上。因此，吸引我的有形性不仅仅是美学问题——这些陨石是太阳系诞生的化石，是我们与地球形成的条件最坚实的联系。
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然而，正如人类学家所知，发现化石只是重建历史的第一步。这些发现需要被放入上下文中。然而，推断不同球粒陨石的诞生地及其环境摇篮一直很困难，因为我们掌握的关于这些不同岩石的详细结构的资料出奇地少。几年前，我对球粒陨石的全部物理性质进行了系统检查，填补了许多存在的关键空白。利用这些数据，我构建了一张粗略的古代星云结构图，球粒陨石就从中诞生。
值得注意的是，地图中的尘埃分布，尽管很粗糙，但与一些金牛T型星系统相似。金牛T型天体在亮度上不规则地变化，并被广泛的大气层所笼罩，因此被认为是年轻的或“前主序星”。它们中的许多都被尘埃盘包围。太阳星云尘埃图与某些金牛T型系统结构的吻合支持了后一种是像我们自己的太阳系的前身的观点。因此，球粒陨石不仅探测了我们自己的遥远过去，还提供了对银河系中其他年轻恒星系统的洞察。同样，随着科学家们了解这些系统的物理学，他们将更好地理解导致我们自身的小行星和行星形成的过程。
球粒陨石的特征
为了通过分析球粒陨石来探索原始太阳系，行星科学家首先必须准确了解岩石的性质。研究人员根据球粒陨石的整体化学成分；同位素混合物（质子数相同但中子数不同的元素）；球粒的数量、大小和类型；以及球粒和其他材料嵌入其中的压实尘埃基质的量等特征，将球粒陨石分为大约十几个基本组。由于每个球粒陨石组都具有独特的且狭窄的物理、化学和同位素特征范围，因此坠落到地球上的不同组必定来自不同的小行星。研究人员构想了许多富有想象力的模型来解释不同球粒陨石组最初是如何形成的，这些模型涉及气体湍流、磁场以及粒子沉降到星云中平面的速度差异等过程。然而，最终的结论通常是模糊的，即各种类型的球粒陨石在“不同条件下”形成。
为了更好地掌握这些条件是什么，我在 2009 年开始查阅文献，目的是构建一个表格，列出主要球粒陨石组的基本性质。一旦我有了表格，我就打算搜索属性之间的相关性，这些相关性可能会揭示每个组的历史。但我构建的表格超过一半是空的；似乎很少有研究人员对收集这类数据感兴趣。
唯一的选择是自己做。为此，我把自己放在显微镜下，检查了来自不同球粒陨石组的 53 种不同陨石的 91 个薄片。在 30 微米的厚度下，许多矿物变得透明，可以研究它们的光学性质。这些薄片揭示了各种各样的球粒，它们的尺寸、形状、纹理和颜色各不相同。分析数千个球粒肯定很乏味，但通过坚持这项“显微天文学”的练习，我设法在短短几个月内填满了表格。我的发现并没有完全解决“不同条件”的难题，但结果确实扩展和完善了关于不同球粒陨石组起源于太阳星云的何处以及它们当地环境如何的想法。
首先，考虑一种稀有的顽辉石球粒陨石，它仅占地球上观测到的所有球粒陨石的约 2%。这些岩石以其最丰富的矿物——顽辉石 (MgSiO3) 命名，它们有两种形式，分别标记为 EH 和 EL，表示它们所含总铁量的高或低。科学家们发现，这些球粒陨石中氮、氧、钛、铬和镍的特定同位素丰度与地球和火星的同位素丰度相似，因此他们推测顽辉石球粒陨石可能形成于火星轨道内，比其他球粒陨石组推断的位置更靠近太阳。
第二组，即所谓的普通球粒陨石，包括三个独立但密切相关的组——标记为 H、L 和 LL——它们所含铁的量和形式各不相同。“普通”指的是它们的普遍性；它们加起来占观测到的陨石坠落的 74%。所有这三个组的大量存在表明，它们来自太阳系的一个区域，该区域在引力上有利于将陨石输送到地球。
加州大学洛杉矶分校的约翰·沃森提出，普通球粒陨石来自小行星带中心略微朝向太阳的区域，位于火星和木星轨道之间。距离太阳 2.5 个天文单位（地球自身距离太阳的 2.5 倍）的小行星将在 12 年内完成绕太阳三圈的轨道；木星位于 5.2 个天文单位的距离，在同一时间间隔内仅完成一圈轨道。这种共振意味着木星巨大的引力会定期拉动这些小行星，并最终将其中许多小行星引导到内太阳系。在瑞典，科学家们在 4.7 亿年前的岩石中发现了数十块普通球粒陨石——这表明普通球粒陨石确实已经轰击地球超过我们星球 45 亿年历史的 10% 以上。
第三组——稀有的 Rumuruti 或 R 球粒陨石（以肯尼亚唯一一次观测到的陨落地点命名）——在许多化学性质上与普通球粒陨石相似。然而，它们具有更多的基质材料，并且氧同位素的丰度明显更高
17O 相对于较轻的同位素 16O。星云中的高温往往会均衡同位素丰度，并且物体离太阳越远，氧同位素的变化就越有可能被保存下来。这种同位素的不平衡表明，R 球粒陨石形成的位置比普通球粒陨石离太阳更远。[中断]
高温还会分解有机化合物，与其他球粒陨石组相比，有机化合物在被称为碳质球粒陨石的多种陨石类别中往往更丰富。因此，碳质球粒陨石几乎肯定比 R 球粒陨石在离太阳更远的地方绕轨道运行。碳质球粒陨石本身包含六个主要组，可以根据它们的化学、同位素和结构性质为每个组分配更具体的星云位置。
尘归尘
除了化学成分外，球粒陨石的内部结构也揭示了它们形成的直接环境中尘埃的含量。尘埃在太阳系演化的所有阶段都至关重要。随着产生太阳和行星的原始物质云坍缩，尘埃颗粒更有效地捕获红外辐射；云中心温度的升高最终导致了原恒星的形成。后来，尘埃（以及在离中心更远的地方的冰）沉降到星云中平面，并凝结成更大的团块，最终形成多孔物体，称为星子，大小从几米到几十公里不等。其中一些星子熔化了。行星最终是由各种各样的熔化和未熔化的星子形成的；彗星和小行星最有可能由成分更均匀的未熔化的星子吸积而成。
特定球粒陨石组形成位置尘埃丰度的一个线索是球粒中围绕硅酸盐核的含尘壳的存在。例如，某些碳质球粒陨石中的球粒通常包括一个核，或“一级”球粒，包裹在与一级球粒成分相似的熔融或火成次级球形壳中。通常，次级壳本身被一个称为火成边缘的三级壳包围，该边缘由比中心核中存在的矿物颗粒更细的矿物颗粒组成[参见左侧的显微照片]。
许多陨石研究人员认为，次级壳是在一些原始球粒在初始熔化事件后凝固后，获得了一个多孔的尘埃壳，然后经历了第二次中等能量事件，熔化了壳但没有熔化内部球粒时形成的。随后，能量较低或持续时间较短的事件产生了火成边缘。简而言之，包含许多显示“嵌套壳”结构的球粒的球粒陨石组似乎是在多尘环境中形成的。
多次重熔事件与球粒被尘埃包裹期间交错自然会产生具有厚次级壳和厚火成边缘的较大球粒。因此，这些特征的存在表明球粒形成的环境中存在大量尘埃。被尘埃包裹的球粒也会比其他球粒冷却得更慢，因为热量无法快速辐射出去。相对缓慢的冷却反过来又促进了钠和硫等挥发性元素的蒸发。尽管大多数挥发物会凝结在附近的尘埃上（最终被纳入球粒陨石中），但其中一部分会丢失。因此，含有这些大的、含尘球粒的球粒陨石组的钠和硫含量应低于在贫尘环境中形成的球粒陨石组的钠和硫含量。我发现情况确实如此。
通过将此信息和其他信息与假定的母小行星位置相结合，我开发了一个早期太阳系尘埃丰度的粗略地图[请参阅这两页上的方框]。顽辉石组可能形成于火星轨道以内的区域，一定位于贫尘区域；例如，它们几乎没有带壳或边缘的球粒，而那些确实带有边缘的球粒的边缘也很薄。普通和 R 球粒陨石是离太阳第二远的，显示出更多的尘埃迹象——例如，带有火成边缘的球粒比例更高，并且边缘比顽辉石组的边缘更厚。
尘埃浓度似乎在碳质球粒陨石组占据的区域达到顶峰，这些组具有最大的球粒和最多数量的包裹在次级壳和火成边缘中的球粒（那些被称为 CR、CV 和 CK 组的球粒陨石）。然后，它朝着两个碳质球粒陨石组（CM 和 CO）的位置逐渐减少，这两个组甚至离太阳更远。（这些组中的球粒要小得多，而且显示次级壳和火成边缘的球粒要少得多。）在最遥远的碳质球粒陨石组（CI）附近，尘埃总量进一步减少，该组根本不包含球粒。（尽管如此，这些仍然是真正的球粒陨石，因为类别准入的主要标准是具有与太阳非挥发性元素化学成分相似的化学成分。）
这张星云图中的尘埃分布使我得出结论，我们早期的太阳系可能与今天观测到的许多金牛T型星相似——像早期太阳一样的年轻恒星，它们尚未安定下来从事稳定的氢燃烧主要业务。尘埃模式类似于已发表的对金牛T型星周围几个原行星盘的天文观测。由于这些特定圆盘的质量（约为太阳质量的 2%）与太阳星云推断的质量相似，因此这些圆盘似乎为球粒形成和球粒陨石组装期间的星云提供了良好的模型。
激烈的分歧
究竟是什么过程产生了球粒，目前尚不清楚。任何球粒形成模型必须解释的第一件事是重复熔化的证据。该过程也必须是广泛的，否则它不会导致几乎每个球粒陨石组中都出现球粒。不幸的是，尚未找到能够解释所有球粒性质的令人信服的加热机制。如此多球粒的多次熔化排除了任何提出的单次现象，例如超新星冲击波或来自深空的伽马射线暴。热源一方面必须能够熔化一些完整的球粒（包括几毫米大小的球粒），但另一方面，又要能够仅熔化其他球粒周围的薄尘埃地幔，同时保持其内部完整。一些研究人员提出了一种重复的脉冲热源，例如闪电，但在太阳星云中产生闪电的可行性尚未达成共识。
目前在天体物理学家中流行的球粒形成模型涉及星云中的冲击波加热。例如，冲击波可能是由从外部落入星云的物质产生的。冲击波通过多尘的星云区域的传播可能产生足够的热量导致球粒熔化。然而，依赖冲击波的模型也有其自身的缺陷。首先，冲击波尚未在原行星盘中被观测到；它们的存在尚未得到证实。其次，冲击波会一次加热大量球粒，但似乎无法仅熔化单个球粒的外表面（形成次级壳和火成边缘），同时保持球粒内部相对较冷。第三个明显的缺陷是，冲击波是局部现象，似乎不太可能在广泛分离的星云区域中产生球粒。因此，球粒形成的主要机制仍然是一个谜。
五十年前，陨石研究员约翰·A·伍德在本刊上观察到：“我们只是在最近才开始将球粒作为实体进行研究。它们包含丰富的关于作用于它们的过程的信息……关于太阳星云的性质和演化、行星的形成、太阳演化的某些阶段以及所有这些过程的时间尺度，我们或许能够有所了解。” 半个世纪后，科学家们仍然有很多东西要学习，但这些来自太阳系的原始信使提供的图景终于开始变得清晰起来。