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这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120

2020年2月4日 - 创新快车道
这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120

南京大学地球科学与工程学院张爱铖教授和王汝成教授课题组在天体化学方向取得重要进展,相关研究成果“Young
asteroidal fluid activity revealed by absolute age from apatite in
carbonaceous chondrite”于9月29日在线发表在自然子刊Nature Communications
(2016 September 7:12844)上。张爱铖教授为第一作者和通讯作者。

这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。可不要被他们的名字搞糊涂了。我们太阳系里的小天体们——小行星、彗星和陨石,隐藏着很多让人意想不到的事实。

一项利用石质陨石新分析法的研究显示,月球诞生于44.7亿年前。科学家希望这项研究能平息有关月球年龄的争论。

这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。流体蚀变是太阳系形成早期最普遍的过程之一。了解流体活动何时发生对揭示含水流体的来源与时空演化至关重要,并很大程度影响科学家对太阳系早期前生命有机物演化的认知。在过去四十多年内,科学家对太阳系早期流体蚀变时间开展了大量研究,但绝大多数依赖于短寿期放射性同位素定年体系(129I-129Xe,53Mn-53Cr和26Al-26Mg)获得的相对年龄。这些研究认为流体蚀变发生于太阳系形成之后的1−25
Myr时间段内,主要是由于短寿期放射性核素衰变导致水冰融化发生蚀变事件。有少数学者曾基于一些假设去尝试获得流体蚀变事件的绝对年龄,但后来发现这些假设存在很大的问题。

这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。小行星、彗星,包括一些由它们形成的陨石,都是46亿年前太阳系形成时的残留物。行星和卫星在几十亿年的时光中早已变得面目全非,但这些由冰块,岩石和金属构成的小天体却还保持着最初的样子,所以它们称得上是行星进化史上的活化石。

这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。月球被广泛认为是由一颗火星大小的天体与早期地球相撞而形成的。科学家通常通过分析美国“阿波罗”飞船带回的月球岩石样本来确定月球的年龄。由于使用的分析方法不同,给出的答案有较大差异,有的认为月球与太阳一样形成于46亿年前,有的则认为月球比太阳晚2亿多年形成。

地科院张爱铖教授在研究一块来自小行星带外缘天体的球粒陨石样品时,观察到了大量磷灰石颗粒。他们通过详细的矿物学和微量元素地球化学研究,揭示了DaG
978中的磷灰石是流体蚀变成因的,不同于常见的热变质成因磷灰石。通过与中科院地质与地球物理研究所的年代学专家合作,张爱铖教授使用先进的离子探针测试了这些磷灰石的U-Pb同位素体系,从而获得了磷灰石的绝对年龄为4450
Ma。这是太阳系早期流体活动的第一个有效绝对年龄。不同于前人相对年龄的结果,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120
Myr左右,而不是只持续25 Myr左右。

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这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。由美国西南研究院比尔·博特克领衔的一项研究对形成月球的大碰撞进行了多个电脑模拟。他们发现,这一碰撞除了在地球附近产生一个残留物并最终形成月球外,还向外喷射出大量物质,其中多个千米级别的碎片进入火星与木星轨道之间的小行星带,并撞击那里的小行星。

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这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。目前已知的小行星数目为791,384颗,已知的彗星数目为3,559颗。

研究人员表示,小行星带中的小行星互相撞击的速度通常为每秒5千米左右,而这些碎片的撞击速度超过每秒10千米,所产生的高热冲击在小行星表面一些岩石上留下了永久痕迹。此后,在小行星之间发生的碰撞作用下,一些带着这些高热冲击痕迹的岩石飞出小行星带,最终落到地球上,成为拳头大小的石质陨石。

这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。图1. DaG 978陨石中独特产状的磷灰石颗粒

这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星,这个绝对年龄说明太阳系形成早期的流体活动可延续120。在太阳系诞生伊始,像地球,木星这些行星还未出现之时,一团巨大的尘埃气旋环绕着初生的太阳。在这团盘状的气旋中,尘埃颗粒相互碰撞结合,形成更大的石块,直到它们成为庞然大物。随着这个过程不断地进行,这些尘埃石块最终形成了我们太阳系中的行星。

博特克等人在17日出版的美国《科学》杂志上写道:“通过模拟大碰撞残留物的演化,并将结果与石质陨石保留的古代撞击受热痕迹对照,我们推算出月球形成于约44.7亿年前,这一时间与此前多个估算相一致。”

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研究人员还认为,导致月球形成的大碰撞是太阳系内规模最大、已知发生时间最近的一次天体大碰撞事件。

图2. DaG
978中磷灰石显示了Eu的正异常,说明不存在与其他矿物的热平衡,揭示了流体交代成因

而太空中还有数以亿计碎块没能成为行星,它们从成型到现在的46亿年间,几乎没有发生任何的改变。这些彗星、小行星,包括一些陨石仍保持着原始淳朴的面貌,向人类讲述着初生太阳系的故事,揭示着生命起源的秘密,刻下我们世界诞生的大事记。它们提供了地球上水和生命原材料来源的线索。

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图3. DaG 978陨石中磷灰石的定年结果

无人探索

2015年,国外行星科学家基于年代学统计结果,通过理论模拟研究提出地月系统形成时抛出的大量碎块,这些碎块撞击了内太阳系天体和主小行星带内缘天体。根据磷灰石年龄与前人年代学统计峰值非常好的吻合程度,这篇论文提出DaG
978磷灰石记录的这次流体活动很可能与地月系统形成时产生的大量抛射物撞击小行星有关。部分抛射物撞击了DaG
978母天体导致地表或次地表水冰融化,从而产生流体活动和蚀变事件的发生。该解释说明了形成地月系统的大撞击事件不仅影响了内太阳系和小行星带内缘的天体,也影响了小行星带外缘甚至外太阳系的天体。这对构建太阳系天体的动力学演化模型有重要指示意义。

NASA的无人太空探测器让我们能够近距离造访彗星、小行星和矮行星,甚至还能带回可供研究的样本。我们正在逐渐摸清这些天体的外形、组成成分和它们形成的原理。

本工作是与中科院地质与地球物理研究所及日本北海道大学合作的研究成果。该项目得到了国家自然科学基金项目和中央高校基本业务费的经费支持。

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(地球科学与工程学院 科学技术处)

生命的原材料?

彗星和小行星很可能给地球带来了一部分的水和一些形成生命的复杂化学反应所必须的物质。

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在星尘号任务带回的彗星尘壤中,科学家发现了一种氨基酸——甘氨酸。甘氨酸是生物合成蛋白质的原料之一。这个发现支持了部分的生命原料形成于太空并通过流星和彗星的撞击来到地球的理论。

科学家沿着太阳系形成早期的线索,像侦探一样,一步一步拼凑出了我们生命起源的真相。我们掌握的这些经验,会让我们更好地了解其他的恒星系和那里生命发展的情况。

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未来的资源

我们探索这些小世界还出于另外的原因:理解存在于太阳系中的风险与资源。这两者对于探索太空的人类来说意义很大。那么,当我们离开母星,向着外太空进发时,会遇到什么样的挑战呢?

我们能不能找到全新的原材料和那些地球上已知的自然资源?人类是不是能够在未来把小行星或彗星当做燃料加油站?说不定我们还能在太空中找到新能源来保护我们的环境。

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避免潜在的撞击

太阳系内小天体的撞击,既是生命萌芽的契机,也是能够摧毁它们的天灾。在宇宙中,这样的撞击是和下雨一样普通的自然现象,不过在太阳系形成的早期,撞击发生的频率比现在要频繁得多。科学家们认为这些游离的天体碎石曾经猛烈地撞击过地球,并在地球的演化过程中充当了重要的角色。

如今科学家正在寻找那些有着不寻常轨道,会接近地球和太阳的彗星和小行星。虽然说它们中的大多数并不会威胁到地球的安全,但我们对它们了解得越多,我们就能越充分得准备应对它们的方法。如果有一天它们出现在地球的轨道上,了解他们的尺寸、形状、质量、构成和结构能够帮助我们找到让它们偏离轨道的最佳方案。而那些针对彗星和小行星的任务,能够为我们提供它们结构和构成十分有价值的信息,以便科学家评估出对付这些潜在天灾的措施。

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对于那些突然出现的具有潜在危害性的近地天体,我们会用更多的时间去研究它们的应对方案。NASA创建于1998年的近地天体项目(Near
Earth Object
Program)致力于用NASA赞助的经费去发现,追踪和归类那些可能撞击地球,具有潜在灾害性的小行星和彗星。参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

  1. solarsystem

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