天文太空

是誰加熱了小行星?

在太陽系的早期歷史中,小行星間彼此碰撞,這或許可以說明為什麼它們曾經那麼的熱。

撰文/魯賓(Alan E. Rubin)
翻譯/傅宗玫

天文太空

是誰加熱了小行星?

在太陽系的早期歷史中,小行星間彼此碰撞,這或許可以說明為什麼它們曾經那麼的熱。

撰文/魯賓(Alan E. Rubin)
翻譯/傅宗玫

大物體比小物體更能保存熱。地球內部的熱能主要來自半衰期較長的四種放射性同位素──鉀40、釷232、鈾235與鈾238,它們在幾十億年來逐漸衰變成穩定的同位素,同時釋放能量。地球因為體積巨大(直徑約1萬2740公里),使得熱能損耗得相當慢,這說明了為什麼地球至今仍有著熔融的外核,而且地表還有火山噴發。相對的,較小的天體,其表面積對體積的比值較高,使它們能更快的把熱量輻射至太空中而冷卻。舉例來說,月球的大小只有地球的四分之一,所以喪失熱能的速率要快得多。因此在約30億年前,月球上大多數的玄武岩岩漿(最常見的火山岩)噴發就已經停止了。

至於那些於內太陽系、主要在火星與木星軌道之間繞行的小體積石質小行星,熱耗損的速率就更快了。灶神星(Vesta)是體積排名第三大的小行星,直徑516公里,表面積對體積的比值是地球的25倍,但是這存在一個矛盾:灶神星體積雖小,卻有著從前地質活動的遺跡。光譜的觀測顯示,灶神星表面覆滿了火山玄武岩,使研究人員推斷灶神星的內部曾經熔化過。但是,熱能來源不可能是半衰期長的放射性同位素;根據同位素原始含量和預期的熱耗損率計算,結果顯示,放射性衰變無法使灶神星或任何其他小行星熔化。這其中必定存在著其他的加熱機制,但究竟是什麼呢?這個問題已經糾纏了行星科學家數十年之久。

不過最近幾年太空船的觀測,尤其是「會合號」(NEAR)任務,提供了可能的答案。會合號太空船於1997年飛掠過小行星馬蒂德(Mathilde) 時,由太空船受到的重力拉力顯示,馬蒂德的質量小得出人意料。科學家根據馬蒂德的低密度,推論它是一團由碎石堆積而成的多孔隙物體,結構裡充滿了縫隙和孔洞。這項發現挑戰了研究人員對於小行星動力的假設,並且指出,岩石構成的天體可能會因彼此的碰撞而產生大量熱能(不過馬蒂德本身大概從未熔化)。這個假說廣受爭議,但最近針對掉落到地表的小行星碎片(即隕石)所做的研究,卻支持這個假說。如果碰撞–加熱理論經證明是正確的,將能解決一個存在已久的天文謎題,並且革新我們對太陽系早期歷史的了解。

1997年會合號太空船飛經馬蒂德,發現這顆小行星是多孔隙的碎石集合體,因受到劇烈撞擊而變形。




炙熱的隕石

研究小行星的關鍵工具之一是光譜學:天文學家比較石質天體與實驗室中石塊的反射光譜。不同的礦物會吸收、反射不同的波長;例如,玄武岩會強烈吸收比可見光紅端波長略長的光。小行星研究者利用光譜將小行星分門別類。小行星帶內側主要是S型小行星,包含某些曾經熔化以及從未熔化過的小行星。在小行星帶外側,約在距太陽4億5000萬公里以外,主要是C、P和D型小行星,似乎全是未曾熔化過的原始天體。測量遙遠物體光譜的主要缺點是,天文學家只能檢視物體的最上層表面。某些情況下,小行星覆滿塵埃的最外層,可能無法代表下方地殼物質的組成。

另一個選擇是研究來自小行星帶的隕石。這些石塊是在小行星受到撞擊時,從小行星分裂而飛出來,逐漸移行到地球會行經的軌道,最後被地球的重力捕捉。(學術單位收藏的數萬枚隕石,絕大部份來自小行星帶;只有60~70枚標本據信是由月球或火星噴射出來。)最常見的隕石是球粒隕石,通常含有許多稱為「球粒」的小球形結構。球粒主要由矽酸鹽礦物組成,直徑約在一公釐以下,它們約於46億年前從太陽星雲(太陽系起源的氣體與塵埃雲)中形成,後來隨著石質天體開始聚集,而成為小行星的主要組成成份。

科學家知道,球粒隕石在它們的母小行星形成之後,就未曾熔化,因為熔化會摧毀其中的球粒。儘管如此,許多球粒隕石確實顯示出,曾經加熱到低於球粒熔點的跡象。球粒隕石可分為六類,是依據其生成以來,因熱或水而造成礦物變化(即熱變質或水蝕變)的程度。其中最原始的是第三類球粒隕石。這類隕石中的礦物顆粒不曾因為受熱而重新結晶。此外,這些石塊中的揮發性物質(包含惰性氣體和水)含量頗高,並且含有許多太陽系形成前的微小顆粒(很久以前,其他恆星外部大氣中形成的塵埃粒子,並且在太陽系的歷史中一直未曾改變)。這些特性表示,第三類球粒隕石從未加熱到超過400~600℃。