来自太空的尘埃能告诉我们关于我们自己的什么
2652字
2021-02-09 18:52
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火星译客

每年大约有10粒太空尘埃落在地球表面的每平方米上。这意味着它们无处不在。他们在街上。他们在你的家里。伦敦帝国理工学院(Imperial College London)的行星科学家马修·金格(Matthew Genge)专门研究这些被称为微陨石的外星尘埃颗粒。

圆圆的、五彩缤纷的微陨石就像微小的大理石,它们的独特之处无处不在,但直到19世纪70年代,人们才注意到它们。当时,英国皇家海军挑战者号的探险队从太平洋海底挖出了一些微陨石。(在陆地上,陆地尘埃的堆积往往掩盖和掩盖了宇宙尘埃。)

一个世纪以来,科学家们一直认为,在海底发现的这些奇怪的小球体是从更大的流星穿过大气层时脱落下来的。事实上,从数亿英里外的太空岩石飘来的宇宙尘埃,携带着微小的信息。

30年来,金戈一直在破译这些信息,一次一粒。

他的职业生涯开始的时候,南极洲被确认为微陨石的丰富新来源。强烈的南风有助于扫走地球上的碎片,因此滞留在冰层中的灰尘中有多达10%来自太空。“我做了很多简单的事情,”詹格说,比如弄清楚“它们是由什么组成的,它们长什么样,它们的不同类型是什么。”从那以后,他和其他的微陨石专家——一个足够小的社区,他“认识其中大多数人的孩子”——从尘埃中收集了更多的信息。最近,Genge一直在解读太空尘埃所携带的信息,不是关于它的起源,而是关于它的目的地:地球历史上不同时期的地球。

Genge于2006年在南极洲的冰碛石上收集了这些尘埃。摄影:Harry Genge/Quanta杂志

这个瘦长结实、秃顶的英国人在他伦敦的卧室里接听Zoom的电话,这间卧室被挤在一张床、一个衣柜和一个显微镜之间。去年3月,当实验室即将封锁时,他把显微镜带回家,同时带回了大量灰尘。今年冬天我们进行视频聊天时,金戈从衣柜上的一个盒子里拿了一个塑料罐子,在镜头前摇了摇。罐子里装满了半瓶黄褐色的南极粉尘,有些来自地球,有些来自外星。当金格整理这些数据时,他很可能会发现一个6626号的小点,Mattgenge是一颗靠近火星的直径8公里的小行星,以他对宇宙尘埃研究的贡献而命名。

为了清楚起见,我们关于他那些布满灰尘的发现的谈话被压缩和编辑了。

你一直都喜欢陨石吗?你是怎么对地质学产生兴趣的?

我小时候就被亚瑟·c·克拉克的神秘小说迷住了。这让我问了很多问题。但我对地质学感兴趣的原因是我喜欢艺术。有两门课我需要大量的画画:一门是地质学,另一门是艺术。当我走到野外开始画岩石并意识到我可以把我的画当作侦探故事,去研究岩石的形成,去观察几百万年前发生的事件,我就被吸引住了。然后我一直都是地质学家。[Genge是《地质田野素描与插图:实用指南》的作者,出版于2020年。]

草图帮助地质学家解释岩石和陨石。金格的笔记本包括变质岩切片(左)和pahoehoe切片(右)——具有光滑折叠表面的熔岩流(右)。摄影:Harry Genge/Quanta杂志

具体来说,是什么吸引你来到太空尘埃?

天文学家一直关注恒星和星系。从字面上讲,它们是天文学中闪闪发光的部分,每个人都被吸引住了。但事实上,尘埃是天文学中最重要的部分之一,因为好吧,恒星在那里产生元素最终形成行星,但正是尘埃将物质从恒星传递到行星。如果没有尘埃,我们的宇宙将是一个相当平凡的地方:闪烁的恒星周围没有任何东西。尘埃将恒星与其他一切联系起来,与所有的行星联系起来,与所有行星上的生物联系起来。最终,尘埃才是罪魁祸首。

关于地球上的太空尘埃来自哪里,我们知道些什么?

在20世纪90年代初,我们几乎不知道太阳系中的什么物体产生了这些尘埃。法国人对来自彗星的尘埃很感兴趣;我不知道为什么。我们最终发现微陨石大部分来自原始小行星。它们类似于一种被称为碳质球粒陨石的陨石,这种陨石来自最常见的含碳小行星“c型”小行星。

Matthew Genge用宇宙尘埃的语言解释了我们太阳系的历史。

如果它们主要来自同一来源,我们能从微陨石中学到什么我们不能从陨石中学到的东西?

我们可以了解到很多东西,这与灰尘进入地球的方式有关。要把陨石弄到地球上,你必须把它从小行星上撞下来,然后让它在太空中漂浮,它的轨道会慢慢改变,直到最终可能穿过地球的轨道。这是一个相当随机的过程。

而微小的尘埃粒子,当它们被喷离小行星表面或流离表面时,它们会进入太空,来自太阳的光会影响它们的运动。这是一个很酷的过程,叫做Poynting-Robertson light drag;我喜欢它,因为它听起来很科幻。

在南极洲发现的一组微陨石,收录在2020年出版的《微陨石图集》中。摄影:Jon Larsen & Jan Braly Kihle 2020微陨石图集第1卷;Arthaus DGB/Kunstbokforlaget DEN GYLDNE BANAN(挪威);ISBN: 978-82-93805-00-7

这种光的阻力基本上会减慢尘埃粒子的速度,如果你让一个物体在它的轨道上减速,它就会向内移动,所以尘埃就会慢慢地绕着太阳旋转。它在行星的轨道上运行,它很有可能被行星扫走。所以这种将灰尘输送到地球的机制比输送大块岩石的机制要可靠得多。正因为如此,微陨石是一个比陨石更好的太阳系实际存在的样本;比起陨石,它们能让你研究更多的小行星和彗星。

这种光的阻力基本上会减慢尘埃粒子的速度,如果你让一个物体在它的轨道上减速,它就会向内移动,所以尘埃就会慢慢地绕着太阳旋转。它在行星的轨道上运行,它很有可能被行星扫走。所以这种将灰尘输送到地球的机制比输送大块岩石的机制要可靠得多。正因为如此,微陨石是一个比陨石更好的太阳系实际存在的样本;比起陨石,它们能让你研究更多的小行星和彗星。

这些不断涌入的尘埃是如何影响地球和其他行星的呢?

在地球的历史中,它一直在我们的星球上。它落在火星上了。它落在金星上了。生命的起源可能与宇宙尘埃有关,因为它实际上在地球的晚期爆炸(大约40亿年前)期间运送了大部分完整的氨基酸和有机分子。在火星上,如果火星土壤中有任何生物,它可能会吃微陨石,因为那是火星表面有机物质的主要来源。你测量火星土壤中的镍含量,它是几个百分点,而镍主要来自微陨石。我喜欢把它们想象成火星表面的小陨石零食。

安山岩是一种火山岩,它被切成薄薄的一层,薄到光都能穿过,因此可以在显微镜下观察。摄影:Harry Genge/Quanta杂志

即使现在在地球上,微陨石在输送营养物质方面也很重要。海洋最深处、最偏远的地方离陆地很远,它们接收到的陆地灰尘非常少,而生物需要一系列的微量元素,如铁才能生存。事实上,大部分运往南大西洋和部分南大洋的铁都来自微陨石。

你说过微陨石正在帮助我们弄清楚太阳系的“外面有什么”。你能说说为什么小行星如此多样化吗?为什么小行星和行星不是由同样的物质构成的?

如果我知道这个问题的确切答案,我就会——事实上,不,我可能不会成为富人。我会出名的。略。

这有点像烘焙。拿一个碗,把面粉倒进去,然后把糖倒在中间,然后把它们混合在一起。在搅拌的过程中,糖逐渐向外移动,与面粉混合。所以随着时间的推移,组分改变了。我们的太阳系是在一个化学元素的混合碗中形成的,这些元素自大爆炸以来就一直在积累。

这个富含铁元素的宇宙小球体,是2017年在英国Lulworth海湾从白垩中发现的,用扫描电子显微镜拍摄了它的图像,其表面覆盖着一个棒状网络。这些是树枝状的磁铁矿晶体,在进入大气层时,粒子在加热后迅速冷却。富铂金属成为亮点。

摄影:马特其全称

我们研究陨石和微陨石的目的是观察这些不同的组成部分试图确定它们在圆盘上的形成位置来重现它们的历史。圆盘在其300万年的生命历程中发生了怎样的变化,在这期间行星形成了?理解这一点非常重要,因为每颗行星的性质都是由在混合碗中形成行星的物质所决定的。这可能是这个星球上是否有生命的区别。了解这些原行星盘的工作原理将使我们能够预测不同恒星周围的行星是什么样子以及它们是如何形成的。

你还证明了微陨石可以告诉我们关于地球的信息,对吗?

是的,微陨石与地球大气的混合方式不仅为我们提供了关于那里的信息,也为我们提供了关于这里的信息。大多数金属粒子通过地球大气层时获得所有的氧气;它们加热后会与大气中的氧发生反应,所以当你测量它们的氧同位素时,它们的氧与陆地上的氧完全匹配。

2016年,我和安迪·汤普金斯(Andy Tompkins)在《自然》(Nature)杂志上发表了一篇论文,内容是关于我们在澳大利亚石灰岩中发现的27亿年前的微陨石。我们认识到这些小球体中的所有氧气都来自地球的大气层。这为我们提供了一种测量过去地球大气的方法,而且这种方法比地质学家一直采用的方法更直接——观察生长在海洋底部的碳酸盐晶体。这是一个非常复杂的过程;你必须计算出在那个深度的水中有多少氧气,将其与地表水和地球大气联系起来。它真的很难。

然而,如果你在大气中加热一块金属10秒钟,你就会在离地面数公里的地方瞬间吸收氧气——这是测量地球上层大气成分的好方法。而且很酷,你可以去岩石上,收集这些太空尘埃,它们可以告诉你过去地球的大气层。这有多酷?最棒的是,这不仅仅发生在地球上。如果有一天我们能在火星上发现微陨石,我们就能研究火星大气的历史。

这是金格在全球探险中收集的一部分岩石。摄影:Harry Genge/Quanta杂志

那么古代的微陨石告诉了我们关于地球古代大气的什么信息呢?

在那之前,人们一直认为27亿年前地球大气中的氧气非常非常少。因为我们在澳大利亚发现的那些微陨石,我们现在知道那是错误的;实际上,那里有很多氧气,即使它可能被束缚在二氧化碳中。

我曾见过追踪地球历史上氧气和二氧化碳水平的图表,并展示了这些水平与进化跳跃和其他事件的关系。

一款有趣的游戏便是着眼于几个情节并注意它们之间的差异。

好的,所以古老的微陨石是一种获得更精确数据点的方法,这样我们就能更好地了解地球系统。

绝对的。我们后来回了澳大利亚。我们想要找到更古老的尘埃,所以三年前,我在皮尔巴拉(Pilbara)开车四处巡视,对非常古老的岩石进行取样,避开蛇和巨大的蜘蛛。我们带着一袋袋的岩石回来寻找宇宙尘埃。

你如何去寻找微陨石?

关于微陨石的一个不幸的事情是,大部分有趣的事情都需要5分钟。然后剩下的就很无聊了——几千个小时盯着显微镜。我还在收集2006年我花了不到五分钟的时间在南极洲的冰碛(一种由冰川沉积的岩石和碎片的堆积)。冰碛石上有一层灰尘,我把它放在一个塑料袋里,我一直在研究它——它有多久了?几乎15年。

我想最难的部分是知道去哪里挖。

幸运的是,我只是看了看我去的地方。我参加了南极陨石搜索探险队,我们本来要在冰原岛(冰川突出的山顶)寻找陨石。当我们在那里的时候,我决定去看看冰原附近的冰碛看看我能不能找到微陨石。我刚铲掉了一点雪,雪下面有一层可爱的灰尘。

所以我猜想尘埃中一定有很多微陨石,我是对的。我收集了6公斤的灰尘,我已经收集了一半,我收集了超过3000个微粒。我可能也错过了不少。我后来在冰碛石中发现的材料表明它已经收集灰尘至少70万年了。

所以你偶尔会回到你的灰尘袋里再整理一些吗?

我只是担心有一天有人会不小心把它扔了。

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