科學人雜誌
行星科學

窺視隕石球粒的身世

2021-05-01 歐凱勒根(Jonathan O’Callaghan)
多數隕石含有球粒,它可能誕生於太陽系形成初期,記錄了行星形成的過程。近期獵鷹二號從龍宮小行星取回的樣本,其結果引人好奇。

重點提要

  1. 45億年前,太陽系誕生後不久,其中的塵埃可能聚集成球粒,進而形成微行星。但這僅是其中一派說法。
  2. 另一派認為,球粒是行星形成之後才出現,並不是太陽系最早誕生的一批物體。
  3. 兩項太空任務分別從龍宮與貝努小行星帶回樣本,將有助於了解太陽系形成的早期環境。


一具像烤麵包機大小的樣本艙,以每秒12公里的速度墜入地球大氣層,過程中先承受3000℃高溫,然後張開降落傘減速下降,最終降落在澳洲內陸。數小時之內,科學團隊運用雷達來定位樣本艙的著陸地點,搭乘直升機前往運回。安全返抵地球的樣本艙內有許多碎片,是取自與地球相距數百萬公里的一顆小行星上,這是有史以來同類型任務所攜回最大的樣本。


時間在2020年12月6日星期日,這天是日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)獵鷹二號(Hayabusa2,又稱隼鳥二號)執行龍宮(Ryugu)小行星任務的高潮。這項任務是繼2003年發射的獵鷹號之後,第二次憑藉太空船把小行星碎片帶回地球。科學家希望這些樣本能夠回答關於太陽系與地球形成過程的難題,舉例來說,龍宮這類小行星在多久之前就生成呢?它們含有多少水與有機物?是它們在數十億年前為地球帶來了形成生命所需的初始物質嗎?


多數團隊竭力研究關於龍宮小行星的這些難題,少數團隊則專研另一個看起來更小的主題:獵鷹二號帶回來的樣本是否含有多數已知隕石中的一種神秘成份?如果有科學家能解釋該成份的起源,將會是驚人的成果,藉此不只能夠了解太陽系星雲的發展過程,也可以得知太陽系行星的形成細節。要了解地球、甚至宇宙任何行星的形成過程,可能沒有比球粒(chondrule)更重要的問題。


球粒是像種子般的小石頭,直徑只有數毫米。一般認為,球粒形成於45億年前,也就是太陽系誕生後不久。這些球粒包覆在稱為球粒隕石(chondrite)的較大岩石內。已知約有六萬顆隕石,大多數皆為球粒隕石。


美國芝加哥大學行星科學家西斯拉(Fred Ciesla)說:「很多隕石都含有球粒。」即使如此,200年來科學家仍無法對球粒的形成過程達成共識。有些人認為,球粒是行星形成過程的副產物;有些人則表示,它們是引發行星誕生的種子。無論哪種方式,關於球粒的形成眾說紛紜,例如塵埃因強光而融合、原行星團塊彼此碰撞,或是太陽誕生時加熱氣體因而產生巨大衝擊波、穿透了周圍初始氣體雲。


換句話說,若能了解球粒的形成,便可一窺太陽系形成過程的早期時光。現在藉由獵鷹二號這類任務及其他研究,可獲得嶄新或具前瞻性的成果,而專研球粒的科學家正要解答球粒從何而來(或者我們從何而來)這個老問題。美國羅文大學的宇宙化學家兼球粒專家康諾里(Harold Connolly)說:「球粒記錄了太陽系形成的初期過程,透過宛如彩繪玻璃窗的球粒,便可窺視太陽系的早期環境。問題在於,它們究竟記錄了什麼?」


球粒從何而來

1802年,英國化學家霍華德(Edward Howard)是最早發現隕石中有球粒這種圓形小球的科學家。德國礦物學家羅斯(Gustav Rose)和奧地利礦物學家切爾馬克(Gustav Tschermak)後來為其命名,取自於希臘文「顆粒」(chondros)與德文「小球」(kleine kugeln)。1877年,英國科學家索比(Henry Sorby)詳細歸納特徵,認為球粒是在太陽周圍凝結的熔融小球,並稱其為「火焰液滴」。即使在今日,沒有人確切知道它們如何形成。


科學家累積了數十年來的觀測與模擬,越來越了解太陽系的起源。故事開始於45億年前,巨大分子雲的塵埃與氣體受重力影響而塌縮、生成原恆星,後來形成我們的太陽。原太陽(protosun)周圍有由氣體與塵埃構成的旋轉圓盤包覆。在盤面內,塵埃受到重力、氣體動力與靜電力互相影響而彼此吸附,形成越來越大的團塊,成為建構行星的基石,例如數公里大小的微行星在百萬年後聚集成行星。這些行星逐漸發展成我們熟知的樣貌,並以穩定軌道運行。雖然這個故事的架構廣為人知,可是細節依然神秘。球粒在故事剛揭開序幕時出現,也就是塵埃聚集成微行星的某段過程。但微小的塵埃要怎麼聚集成直徑數千公里的天體呢?


球粒其實是岩石內的岩石,是球粒隕石內的球狀微粒,有些肉眼可見,有些只能借助顯微鏡才能觀察。球粒的豐度無庸置疑。目前已知,球粒合併成行星後皆不復存在,但它們是球粒隕石的主要成份,在太空中很普遍。有些球粒隕石內的球粒數量很多,整個隕石看來像是由許多小圓珠組成的團塊。


球粒有各種形狀、大小以及成份,主要由橄欖石與輝石這類礦物組成,球粒通常含有晶瑩剔透的結晶。透過測量球粒內部短半衰期的同位素鋁26,追溯其形成於45億6700萬年前,形成時間則需數百萬年,球粒因而是太陽系可辨識的第二古老物體。最古老的物體是比球粒形成早100~300萬年的鈣鋁包體(CAI),是隕石內的白色微粒,由太陽年輕時周遭氣體凝聚而成。


球粒隕石有許多種類,例如在所有含球粒的太空岩石中,普通球粒隕石佔90%,隕石內部幾乎都是球粒;碳質球粒隕石佔4%,含碳比率高(碳含量最高的應形成於外太陽系)。其中一個次類別是CI球粒隕石,內部皆是微小球粒,因流經其母岩內部的液態水風化了較大的球粒。關於CB球粒隕石的形成方式,是唯一達成共識的。英國倫敦自然史博物館的行星科學家羅素(Sara Russell)說:「我們認為,這類球粒隕石是在一次巨大碰撞中產生的。」科學家對CB球粒隕石的來源沒有爭議,使它們顯得「相當神奇」。


關於其他種類球粒隕石的確切來源,目前仍屬猜測。羅素說:「我們不知道球粒隕石的來源,雖然令人沮喪,但是也很有趣。在太陽系形成的某段過程中,球粒顯然普遍生成且非常重要,有必要弄清楚這段過程究竟發生什麼事。」


球粒形成大家猜

2000年,美國休士頓舉辦了月球與行星科學研討會,備受尊敬的哈佛大學隕石科學家伍德(John A. Wood)承認球粒起源研究是失敗的,震驚了現場學者。伍德和之前研究球粒的科學家一樣,一開始就醉心於球粒。他說:「(這些)小石球如此迷人、有趣又神秘,深深吸引了我。」研究缺乏進展使他沮喪。他在演講中總結:「我們仍然不了解球粒隕石,有時候我懷疑是否能解開難題。」數年後,因為研究缺乏經費,他選擇退休,把注意力轉向油畫以及多陪陪妻子。他表示:「我突然戒掉了科學。」


那場演講令很多人錯愕。卡內基科學研究院的宇宙化學家亞歷山大(Conel Alexander)說:「他根本是說,因為無法解決球粒起源,自己浪費了整個學術生涯,許多人沮喪不已。」同一研究院的宇宙化學家尼特勒(Larry Nittler)當時也在現場,他表示自己「激動地站起來」為球粒研究辯護,他回憶道:「我說:『我依然對這些不可思議的太空岩石感到興奮。』在我的研究生涯中,我不認為自身任何的研究獲得足夠的關注或讚賞。」整個會場掌聲如雷。


伍德的悲觀感想不難理解。畢竟,科學家確實解決許多棘手的天文謎團,例如釐清宇宙誕生早期的狀況、發現其他恆星周圍的行星、觀測到重力波並拍攝到黑洞影像。相較這些成就,微小球粒的惱人謎團更容易被忽視,就如同球粒所處的小角落那般不受關注。有個笑話這麼說:關於球粒形成的理論,數量就像研究球粒的科學家一樣多,而且未來只會越來越多......


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