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分享 網管 - 科學新知 | 2013-03-03 | 人氣:379

 科學人雜誌2013年3月2日

隕石裡的秘密

球粒隕石是太陽系最古老的岩石,藉由顯微影像所揭露的細節,我們得以窺視行星形成前的太陽系。

在偏光顯微鏡下,球粒隕石的薄片中有著珠寶般的顆粒,稱為球粒,是含矽礦物形成的小珠。儘管這個球粒隕石相當美麗,它歸類於「普通」球粒隕石。

重點提要

■球粒隕石的組成物質和形成行星、衛星、小行星和彗星的來源相同。每個類型的球粒隕石群組各有其獨特的質地,以及成份特徵。

■根據這些特性,作者和其他科學家大致推斷出各類球粒隕石的形成位置,以及在這些不同區域的相對塵埃豐度。

■塵埃的分佈情形,類似於許多金牛座T型星周遭所環繞著、由塵埃和氣體組成的原行星盤。這類恆星是年輕版的太陽,年齡約100~200萬歲。這樣的相似度說明了,我們可以藉由金牛座T型星的系統,來深入探究太陽系早期階段的太陽和盤面。

我同情天文學家。無論是藉由電腦螢幕上的影像,或是冷冰冰的光譜儀處理過的光波,都只能遠遠地觀察他們所熱愛的恆星、星系和類星體。而我們這些研究行星與小行星的,卻常常可以親手撫觸心愛的天體,探索它們最深層的秘密。大學時我主修天文學,曾經在許多個寒冷的夜晚,透過望遠鏡觀看星團和星雲,所以我可以作證:手上拿著小行星的碎片能在情感上獲得更大的慰藉,讓我們與看似遙遠抽象的一切有了真實的連結。

最吸引我的小行星碎片是球粒隕石,自太空墜落的隕石中有超過80%屬於此類,命名緣由是因為內部含有球粒,也就是曾經熔融的物質所形成的小珠,通常比米粒還小,這種隕石在太陽系早期、小行星成形前就已存在。在顯微鏡下觀察球粒隕石的薄片,看來是如此美麗,絲毫不遜色於康丁斯基(Wassily Kandinsky)等抽象藝術家的創作。

球粒隕石是科學家所碰觸過最古老的岩石。放射性定年結果可追溯超過45億年前,那時行星還未形成,太陽系還只是一團處處充滿擾動、由氣體與塵埃構成的旋轉圓盤,天文學家稱為太陽星雲。球粒隕石的年齡與成份顯示,它們與行星、衛星、小行星和彗星一樣,都形成自太陽系的初始物質。大多數研究人員相信,球粒的形成,是因為高能量使富含矽的塵埃團塊熔化成許多液滴,這些液滴迅速凝固並且附著在塵埃、金屬與其他物質上,形成球粒,後來聚集形成小行星,小行星間的高速撞擊使它們碎裂,最後有些殘骸就掉到地球上成為隕石。這些隕石吸引我的並不只是美麗的外觀,而是它們可是太陽系誕生時所留下的化石,可提供探索地球形成時的狀態很重要的線索。

然而就如同人類學家所知,發現化石只是重建歷史的第一步,還必須把來龍去脈交代清楚。不過要推斷不同球粒隕石的來源和誕生環境是有困難的,因為對於這些岩石的詳細構造,我們所掌握的資料少得可憐。我在幾年前針對球粒隕石的物理性質做了一次有系統的全面檢視,填補了許多關鍵性的空缺。根據這些資料,我建立了一個大致的圖像,描述球粒隕石所源自的古老星雲構造。

雖然只是粗略的圖像,但值得注意的是,圖像中的塵埃分佈情形,與某些金牛座T型星(T Tauri)的恆星系統相似。金牛座T型星有不尋常的亮度變化,而且有厚重的大氣籠罩,因此被認為是年輕的恆星(或主序前星),多數有塵埃盤環繞。太陽星雲的塵埃圖像與許多金牛座T型星系統的構造吻合,這項結果支持一個說法,那就是太陽系這類行星系統的前身就是金牛座T型星系統。因此球粒隕石不但讓我們可以深入推測太陽系的過去,也提供了對銀河系其他年輕恆星系統的深入了解。同樣地,當科學家探究這些系統的物理性質時,也會對太陽系的小行星和行星的形成過程有更多了解。

球粒隕石的特性

想要分析球粒隕石來探索太陽系的原始樣貌,行星科學家首先得準確地衡量岩石的屬性。研究人員把球粒隕石分成12個基本類型,根據的特性有:整體的化學組成、混合的同位素(質子數相同但中子數不同的元素)、球粒的大小、數量及類型,以及緊密包覆著球粒與其他物質的塵埃基質多寡。因為每個類型的球粒隕石都有不同的物理、化學與同位素特性,因此一定是來自不同的小行星。為了解釋不同類型的球粒隕石最初是如何形成,研究人員發展出許多富有想像力的模型,其中牽涉到氣體擾動、磁場以及落入星雲中央盤面上的粒子速度等。然而,最後往往得到一個模糊的結論,就是各種球粒隕石是在「不同的情況」下形成的。

因為希望可以更確切掌握到底是什麼樣的不同情況,我從2009年開始埋首大量文獻資料,想要建立一個表格,列出球粒隕石主要類型的必要特性。一旦我手上有這樣的表格,就能找出每種特性之間的相關性,或許能揭示每個類型的歷史。但結果我所建立的表格中有超過一半是空格,看來有興趣蒐集這類資料的研究人員並不多。

於是唯一的選擇就是,我自己來。為了完成這個目標,我把自己定在顯微鏡前,檢視了分屬不同類型的53個球粒隕石、共91片的岩石薄片。厚度僅30微米的薄片中,許多礦物變得能夠透光,於是我們得以研究它們的光學性質。從這些樣本我們看到,球粒有各式各樣的大小、形狀、質地和顏色。分析數千個球粒肯定是很繁瑣的工作,但是這個在「顯微天文學」上的堅持,讓我在短短幾個月內把表格填滿了。我的發現並不能完全解決「不同情況」的難題,但是這個結果確實能夠更廣泛、更完善地解釋,不同類型的球粒隕石是來自太陽星雲的何處,以及它們的局部環境如何。

首先來看看一種較少見的種類——頑火輝石球粒隕石,僅佔地球上發現的球粒隕石的2%。這些岩石通常是根據含量最多的礦物:頑火輝石(MgSiO3)來命名的,而且該礦物有兩種型式,依據含鐵量的高低分別標示為EH和EL。科學家發現,這些球粒隕石中含有豐富的氮、氧、鈦、鉻、鎳的特定同位素,和地球及火星相似,因此他們推論頑火輝石球粒隕石可能形成於火星軌道以內,與其他球粒隕石類型被推論出的生成地點比較起來,顯然比較靠近太陽。

第二種稱為普通球粒隕石,共有三個不同但密切相關的群組,依照鐵的含量和型式分別標示為H、L和LL。「普通」指的是出現頻率,它們共佔所發現隕石的74%。這三類隕石的數量之多,顯示它們在太陽系中的形成區域,受到的重力會傾向把隕石丟到地球上來。