火星陨石的地球“流浪记

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  2019十月,一颗陨石坠落在我国吉林省,东三省的网友们目击了这震撼的一幕,而这已不是陨石第一次光临吉林了。19763815时,陨石雨降落吉林,当时也收集到了重达1770公斤的世界最大的陨石。

  

  (图源:央视新闻微博视频截图)

  陨石是闯入地球的天外来客,它蕴含着珍贵的宇宙信息,科学家们称陨石为“太阳系的化石”。人们对陨石进行大量研究,包括确认陨石的来源,挖掘他们的“流浪史”。今天就让我们一起来看一看,我们对火星陨石是如何进行研究的。

  你从哪里来——第一块火星陨石的发现

  我们想要了解火星,除了发射探测器前往火星考察以外,还可以通过另一个重要途径,那就是研究火星陨石。在太阳系,受到小天体碰撞的现象普遍存在,火星也不例外。当石块被撞出来的速度大于逃逸速度时,会被抛射到太空中,其中的一部分会坠落到地球表面成为陨石。来源于火星的陨石被称为火星陨石,而最重要的判别依据,是将这些岩石中所捕获的气体成分,和火星探测器所探测到的火星大气成分进行对比。

  

  火星 (图源:美国宇航局官网)

  火星陨石其实很早就被收集到,但由于没有可供对比的火星样品,这类陨石的来源一直无法确认,直到1982年情况才发生改变。那么第一块火星陨石是如何确认的呢?

  最早被发现的火星陨石名为“Chassigny”,除此之外,截至1962年,还有3块火星陨石在全球其他地方被收集到。这类坠落被人看见并很快收集起来的陨石又称为“降落型陨石”。长期以来,人们不确定这些陨石来自哪里,只知道它们经历过高温熔融,是从岩浆中结晶形成的岩石。此外,这些陨石又和绝大部分古老的小行星陨石不同,它们的年龄都很年轻,甚至比大多数月球岩石还年轻。这些证据似乎都将陨石的来源指向了火星。

  科学家将这些未知的岩石划分为不同的岩石类型,统称为SNC族陨石SNC为三块典型样品名字的英文首字母,S: ShergottyN: Nakhla, C: Chassigny)。但让大家困惑的是,如果他们是来自火星的陨石,那为什么会没有月球陨石呢?毕竟,从月球表面撞出一块岩石并落到地球上,无论怎样都比火星要容易得多。因为月球几乎没有大气,引力很小,逃逸速度只有每秒2.5 公里,也就是说,月球表面被撞出来的岩石,其速度只要达到每秒2.5公里,就能够逃离月球。而火星则不同,火星有大气,引力比月球大,逃逸速度至少要每秒5公里。

  这一困惑在1982年得以解开,这一年,美国南极科考队在南极发现了一块特殊的陨石,通过将其与1961-1972年实施的阿波罗计划从月球表面采集并带回381.7千克的月岩样品进行对比发现,这块陨石就是来自月球。月球陨石的发现,解决了科学家们多年的困惑,也为火星陨石的确定提供了灵感和信心。

  

  左:第一块被发现的火星陨石Chassigny(图源: 国际陨石命名数据库)

  右:第一块被确认的火星陨石EETA 79001,图中显示的是被锯子切开的截面,上面的黑色斑点就是熔融玻璃(图源:美国宇航局官网)

  虽然没有火星的岩石样本可供对比,但1976年美国的“海盗1号”和“海盗2号”成功着陆火星,让我们有了火星大气成分的数据。因此,如果火星陨石在离开火星时捕获了一些火星大气,就可以同“海盗号”的分析结果进行对比。

  1979年,美国南极陨石科考队在南极发现了一块较大的SCN族陨石,并将其命名为EETA 79001。科学家将这块陨石切开(如上图),可以清楚地看到切割面上有许多黑色区域。把它们放在显微镜下观察,发现它们实际上是玻璃。这些玻璃是小行星撞击火星表面时,高温熔融后快速冷却形成的,又称“熔融玻璃”。

  这与地球上的玻璃陨石很相似,后者是小行星撞击地表,高温将地表岩石熔融成了玻璃,玻璃陨石中有很多气泡,包裹着地球的大气。同理,火星陨石中的这些玻璃中也有气泡,但包裹的是当时的火星大气。这样一来,科学家就可以通过分析SNC族陨石中的气体成分,对比其与火星大气的异同来确认它们是否来自火星。通过对EETA79001玻璃中气体的组分进行分析,得到了令人兴奋的结果,它们真的与“海盗号”飞船所分析的火星大气成分完全一样,从而确确实实地证明,这块陨石的确来自火星。

  

  “海盗号”所探测到的火星大气组成与EETA 79001陨石中的玻璃所捕获气体的Log对比图。二者落在一条直线上,说明它们的组成相同。(图源:参考文献1

  有了这个结果,同类型其他陨石的火星来源也就比较容易确认。除了可以通过做类似分析来证明捕获有火星大气之外,还可以通过化学组成、同位素组成、矿物组成和岩石结构等证明它们是一家人。特别是氧的同位素组成,有着类似于“指纹”一样的唯一性。不同类型的岩石,只要它们来自同一个天体,它们的氧同位素组成完全相同,而不同天体之间的氧同位素组成有显著的差异,因此可以用该方法来证明它们是相同的来源。近年来,通过将火星车探测的火星表面岩石数据和火星陨石的进行对比,也能确定火星陨石的来源。

  奇特的火星陨石ALH 84001

  在人类的探测器去火星采样返回以前,火星陨石都将是我们唯一所拥有的火星岩石样品。在目前已收集到的近300块火星陨石中,绝大部分发现于沙漠和南极,都是掉到地球上过了很久以后才被发现的,即所谓的“发现型陨石”。其中有一块赫赫有名,它就是1984年在南极阿仑山地区发现的火星陨石ALH 84001

  遵循国际通用的陨石命名规则,ALH 84001是以它的发现地来命名的。ALH是阿仑山的英文Allan Hills的缩写,数字84代表是1984年被发现的,001一般指当年发现的第一块陨石。这块陨石虽然不是第一块被发现的火星陨石,但却是名气最大的,连美国总统克林顿都对他称赞有加。那么它是如何从一块默默无闻的石头,变成一名“网红”的呢?

  

  ALH84001火星陨石 (图源:美国宇航局官网)

  这还要感谢现代分析技术的飞速发展,各种高精尖的分析仪器,让科学家们练就了十八般武艺,可以从里到外来个“底朝天”式的研究。通过研究,科学家们还原了它的成长历程。

  ALH 84001的年龄约44±1)亿年,是最古老的火星陨石。虽然近年来有新的研究数据显示,该陨石可能没有那么老,但其年龄仍然有41±1)亿年。大约一千五百万年前,有一个小天体撞击了火星,火星上的该区域已不是第一次被撞,但此次撞击力度十分巨大,直接使溅射出的岩石的速度超过了火星的逃逸速度。这块岩石和其它被撞出来的大量碎块一起,开始了在太空中1500多万年的漫长旅途。终于,大约在1.3万年前,这个碎块穿过地球大气层,坠落在南极阿仑山地区的冰盖上,成为一块陨石。它在那里孤独地躺了很久,直到1984年被美国的南极科考队找到。

  而这块陨石之所以名声在外,是因为它可能携带了火星远古生命的化石。

  什么?!火星有生命?!是的,火星早期可能有生命。为什么会有这样的结论呢?原来,科学家们在对该陨石的分析中,发现了一些蠕虫状的管状结构,这和地球上的磁细菌尤其相似。磁细菌是一类很神奇的细菌,它们会对磁场有反应,在外磁场的作用下能作定向运动,它们的体内具有纳米磁性颗粒排列的链条,这种磁细菌主要分布于土壤、湖泊和海洋中。这种蠕虫状管状结构被认为是火星曾经存在生命的重要证据。这一重大发现让这块普通的石头瞬间成为网红,占据了新闻媒体的头条。

  

  电子显微镜下ALH84001火星陨石的蠕虫状管状结构(图源:参考文献2)

  

  透射电镜下观察到的磁细菌(a)和典型的磁小体链(b(图源:参考文献3)

  但很快这一结论就受到广泛质疑。有的科学家认为,没有足够的证据证明这种类似细菌形态的管状结构是细菌化石,它也可能是由火星地质过程形成,只是看起来像细菌而已。除此之外,有科学家还在该陨石中发现了有机质,但更多的科学家认为,那只是样品受到了地球物质的污染,毕竟它在地球上待了那么久。就这样,一些和生命相关的证据都被否认了。

  我们的征途是星辰大海

  虽然远古化石的证据存在争议,但却给通过火星陨石来寻找生命遗迹翻开了新的一页。此后,在其它一些火星陨石中,也发现了各种“生物存在的痕迹”。有的火星陨石中还发现了2亿年前地下水活动的证据[4],这说明尽管自30亿年甚至更早以来,火星表面就已变成了像现在这样极度寒冷和干旱的模样,但在地下仍可能存在液态水,而水是生命存在的重要条件。

  此外,2013年在一块名为Tissint的火星陨石中,还发现了可能是生物成因的碳,这些有机碳的氢同位素很重,即含有很多由一个质子和一个中子组成的氘,这是火星物质区别于地球物质的重要证据。同年,“好奇号”火星车在火星的岩石样品里也探测到了有机碳,这也间接验证了该陨石中有机碳的发现。

  

  提森特(Tissint)火星陨石,20117月降落在摩洛哥的沙漠中。

  左图显示的是该火星陨石的一部分,表面有残留的陨石熔壳。右图显示了在该陨石裂隙中发现的有机碳(图源:参考文献5

  这些结果不断地鼓舞着大家,而一项最新的研究结果,似乎又让曾经的网红ALH 84001重新回到公众的视线中。2020年,有科学家在该陨石中发现了含氮的有机分子,而氮是地球生命的基本元素。过去由于分析技术的限制,并没有对该陨石中的氮进行检测。此次分析尤其注意避免可能的污染,从该陨石的内部提取的颗粒样品,经过去污染处理,再对样品进行分析。含氮有机分子的发现表明,早期的火星,或许更像现在的地球。这似乎预示着我们离答案又近了一步。

  

  火星陨石ALH84001中发现含氮有机物的橙色碳酸盐颗粒(图源:参考文献6

  人类花费大量的人力物力,终于有方法确认这些天外来客的归属之地,并对它们进行了大量的研究,而这,只是我们探索浩瀚宇宙的一小步。随着今年我国的首次火星任务“天问一号”、美国火星2020任务,以及阿联酋火星任务的实施,期待后续的火星生命探索中有更多新的发现。

  参考文献:

  1.R.O.Pepin, Evidence of Martian origins, Nature, 317,473-475, 1985.

  2.R.A.Kerr, Ancient life on Mars? Science, 273, 864-866, 1996.

  3.G.A.Paterson. Yinzhao Wang and Yongxin Pan, The fidelity of paleomagnetic records carried by magnetosome chains, Earth and Planetary Science Letters, 383, 82-91, 2013.

  4.S.Hu et al., NanoSIMS analyses of apatite and melt inclusions in the GRV 020090 Martian meteorite: Hydrogen isotope evidence for recent past underground hydrothermal activity on Mars. Geochimica et Cosmochimica Acta, 140, 321-333, 2014.

  5.Yangting LIN et al., NanoSIMS analysis of organic carbon from the Tissint Martian meteorite: Evidence for the past existence of subsurface organic-bearing fluids on Mars. Meteoritics & Planetary Science. 49, 2129-2304, 2014.

  6.Mizuho Koike et al., In-situ preservation of nitrogen-bearing organics in Noachian Martian carbonates. Nature Communications. 11, 1998, 2020.

  文章制作:徐琳 (中国科学院月球与深空探测总体部、中国科学院国家空间科学中心)

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