陨石——“显微镜下横亘光年的故事”

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原文作者:Meenakshi Wadhwa

从化学线索探寻太阳系诞生的故事。

1795年12月13日下午,英国约克郡正在犁地的三名农夫目击了惊心动魄的一幕。一块石头从天而降,笔直冲入了Wold Newton村附近的土地。村民们朝着好像有枪响的方向跑去,在土地里发现了一块和面包差不多大小、尚有余温的石头。

这块不同寻常的石头在当时的英格兰找不到任何相似物,几经流转后到了几位科学家的手上。化学家Edward Howard对这块和其他几块在欧洲各地从天而降的石头好好研究了一番,并在1802年发表了一篇具有划时代意义的论文,他将所有这些岩石归为一个新的种类——被称为“陨石”的地外天体(E. C. Howard Phil. Trans. R. Soc.92, 168–212; 1802)。

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从化学线索探寻太阳系诞生的故事。

陨石就像宇宙的时间胶囊,它们携带了“记载”太阳系早期事件的详细信息。科学家仔细分析了这些陨石蕴藏的宇宙化学证据,比如陨石中氧的三种自然存在的同位素的比值变化——这些数据对外行人来说可能非常艰深。对于有兴趣了解更多内容的读者,我一般会推荐Harry McSween写的《陨石及其母行星》(Meteorites and Their Parent Planets),可惜这本通俗易懂的著作最近一次再版是1999年,而该领域在过去二十年里出现了很多进展。好在这次有一本新书可以推荐了。

相关图书

《陨石:来自太空,改变地球的石头》

Meteorite: The Stones From Outer Space That Made Our World)

作者:Tim Gregory

出版社:John Murray (2020)

在《陨石》一书中,化学家兼地球科学家Tim Gregory聚焦学界的最新进展,织锦般地叙述了丰富多彩的历史和科学故事。作为一位满腔热情的科普者,作者生动描绘了远超人类体验的环境和事件。例如这段对45亿年前尚处于婴儿期的太阳的描述:“稀薄气体中的急风和涡流进一步将尘埃卷入旋转的云层中,有如宇宙中的一团风滚草。

天降陨石

在书的一开始,作者讲述了围绕历史上多次陨石发现和降落事件的离奇经过,包括上文提到的Wold Newton陨石。然而,人类对陨石的迷恋还能追溯到更早以前。根据作者的讲述,在埃及法老图坦卡蒙墓中发现的公元前1350年左右的一把铁匕首其实是用坠落的陨石锻造而成的。

接下来,作者讲到了在南极和炎热沙漠发现成堆陨石的故事。这些地方的降水率极低,意味着几乎没有物质能侵蚀或降解落到地球上的陨石。来自美国和日本等国家的陨石采集探险队会定期前往南极,那里的冰盖运动会像传送带一样运送陨石,并将它们集中到某些地区。

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“南极陨石收集计划”的研究人员收集了一个样本。来源:Christine Floss / ANSMET / NSF / NASA

作者解释了现代分析工具如何以空前的精度和准确度剖析陨石的化学组成。他描述了一种“火雨滴”,这种火雨滴是成团的原始尘埃在急速加热下形成的圆形液滴,这些液滴会迅速凝固,然后与其他凝固的液滴积聚成小行星大小的天体和行星胎。研究人员在一些最常见的陨石类型(称为球粒陨石)中发现了这些凝固的液滴(称为陨石球粒),了解它们的形成过程就能洞悉行星是如何在早期太阳系中汇合的。

陨石还可以揭示比太阳系更古老的信息。陨石包含的线索或许能用来理解恒星与致密分子云之间空间的性质,以及新生恒星如何将各种元素融合在一起。对陨石及其成分的研究表明,在我们的银河系中,太阳系出现的位置曾是一个产星区,而且比当前的天体物理环境活跃很多。

作者还提到了来自月球和火星的陨石,以及它们对地球的重大影响(尤其是6600万年前的那次陨石撞击曾导致地球上近四分之三的动植物物种,包括所有非鸟类恐龙灭绝)。书中穿插的对陨石学和宇宙化学的物理和化学原理的一些解释,是我至今在科普读物中读到最为清晰的。作者解释了小行星带中的小行星与木星之间引力会如何导致轨道共振,从而使小行星偏离轨道,帮助将陨石送往地球。作者还讨论了科学家如何利用陨石的氧同位素组成作为“指纹”,锁定它们在太阳星云中的形成位置;或是使用其他元素的稀有同位素来判断行星际空间的一块岩石已经在宇宙射线中暴露了多久。

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2019年,村民们围绕着印度比哈尔邦出现的陨石坑周围。来源:AFP via Getty

书中并未提及对本领域发展起到关键作用的几位重要人物。一位是自学成才的Harvey Nininger,他在1930年代做了大量研究和收藏工作,为现代陨石学奠定了基础。(业余收藏家可向研究人员直接提供新型陨石,在推进领域发展方面一直很有功劳。)另一位是William Cassidy,他帮助建立了系统性的南极陨石采集工作。

这部堪称典范的作品值得再版,并可加入更多插图、照片、参考文献和引用信息。说到底,陨石给我们提供了一种途径,让我们可以解开地球、太阳系和整个宇宙的谜团。通过研究陨石,作者写道,“我们发现了一个横亘光年、在显微镜下徐徐展开的故事,藉此照见了最宏伟的时间。”

原文以Meteorites: ‘a story written across light years down the barrel of a microscope’为标题发表在2021年1月25日的《自然》书评版块上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-00188-8

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