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Nov. 30 2021

奇特的火星隕石可追溯至太陽系中最大的火山結構

  • 這張火星全球地圖上的顏色代表含有不同大小隕石坑的區域。藉由識別約9000萬個小型隕石坑,研究人員得以計算出火星不同區域的年代,發現有群隕石可能源自某個特定的隕石坑。PHOTOGRAPH BY LAGAIN ET AL. (2021), NATURE COMMUNICATIONS

    這張火星全球地圖上的顏色代表含有不同大小隕石坑的區域。藉由識別約9000萬個小型隕石坑,研究人員得以計算出火星不同區域的年代,發現有群隕石可能源自某個特定的隕石坑。PHOTOGRAPH BY LAGAIN ET AL. (2021), NATURE COMMUNICATIONS

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這些岩石很可能是在一百多萬年前從圖廷隕石坑(Tooting Crater)中噴發出來的,科學家正藉此拼湊出紅色星球的動蕩歷史。

這張火星全球地圖上的顏色代表含有不同大小隕石坑的區域。藉由識別約9000萬個小型隕石坑,研究人員得以計算出火星不同區域的年代,發現有群隕石可能源自某個特定的隕石坑。PHOTOGRAPH BY LAGAIN ET AL. (2021), NATURE COMMUNICATIONS

這張火星全球地圖上的顏色代表含有不同大小隕石坑的區域。藉由識別約9000萬個小型隕石坑,研究人員得以計算出火星不同區域的年代,發現有群隕石可能源自某個特定的隕石坑。PHOTOGRAPH BY LAGAIN ET AL. (2021), NATURE COMMUNICATIONS

大約100萬年前,有顆小行星撞上了原本平靜的火星表面。撞擊射出大量碎片,其中部分岩石碎片劃破天空,擺脫了火星重力,穿越黑暗的太空。

有些岩石最後來到了地球,並在穿過地球大氣層的過程中倖存,然後撞上地球表面──像是在2011年墜落在摩洛哥的一塊重達6.8公斤的碎片。現在,科學家將這些隕石命名為「耗乏輝麥長無球粒隕石」(depleted shergottite),超過12塊的太空岩石構成了已知317顆火星隕石中耐人尋味的一部份──這是我們地球上唯一的火星物質。

確認這些隕石來自火星的哪個區域,是拼湊火星歷史的關鍵,同時也是一項重大的科學挑戰。現在,藉由隕石坑計數機器學習程式的幫助,有群研究耗乏輝麥長無球粒隕石的科學家團隊可能終於破解了這個懸案。他們得到的結論是,這些地質噴發物來自火星塔爾西斯(Tharsis)火山高原上的一個火山口,而這片火山地形正是太陽系中最龐大的。

這個位於火星的「火山巨獸」擁有數千座獨立的火山,面積是美國大陸的三倍,由數十億年來無數的岩漿注入和熔岩流層層累積形成。塔爾西斯山群的質量非常巨大,在形成過程中讓火星傾斜了20度。

如果這些隕石確實就像他們發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊上的分析所顯示的那樣來自塔爾西斯,那麼科學家就能夠找到並利用它們幫助確認,是什麼樣的巨大力量建構出足以傾斜火星的雄偉地形。

並未參與此項研究的格拉斯哥大學隕石專家盧克.戴利(Luke Daly)表示:「這真的可以改變我們對火星的理解。」

來自隕石的線索

大多數的火星隕石都屬於一種稱為輝麥長無球粒隕石(shergottite)的類別,這種隕石以印度小鎮斯赫爾加蒂(Sherghati)命名,因為這裡在1865有居民看到一顆隕石從天而降。輝麥長無球粒隕石都是具有相似成分的火山岩,但其中一小部分稱為「耗乏輝麥長無球粒隕石」的類型則具有奇特的化學特徵。

在火星上,某些元素(如釹和鑭)不太會與地殼下方「膏狀」地函中的礦物質結合。而耗乏輝麥長無球粒隕石缺乏這些元素──因此才有「耗乏」之稱,這顯示它們來自火星的地函。

但這些岩石是如何接近地表,而能在撞擊中噴飛呢?在地球上,地函岩石可以透過兩種方式來到地表:當兩個地殼板塊分開而讓地函得以上升時,或是稱為「地函柱」(mantle plume)的超熱地函物質噴泉從深處升起時。火星似乎從未有過板塊構造,因此地函柱的是最有可能的狀況。

科學家根據隕石中特定元素的放射性衰變,得知這些岩石都來自一個相對年輕的火山位置──也許是一堆熔岩流組成的沉積物。

如果這些飛過太空的火山岩都來自某一次撞擊,那這次撞擊一定非常強大,留下至少3.2公里或甚至更大的隕石坑。這個隕石坑應該有110萬年左右的歷史,而隕石表面隨時間受到宇宙射線轟擊的改變,則揭露它們在撞擊後在太空中飛行了多長的時間。

然而,即便有了這些線索,要將這些火星岩石碎片追溯到它們的原始位置依舊極其困難。它們就像從整塊拼圖分離出來的一片片獨立拼圖:如果不知道它們最初的環境是什麼樣子,幾乎不可能將它們放回火星的某個特定區域。

「身為一位地質學家,我們會記錄許多有關岩石樣本採集地點的資訊,因為背景環境相當重要。」在格拉斯哥大學研究火星隕石的博士生阿因.歐布萊恩(Áine O'Brien) 說,他沒有參與此項研究。「對火星隕石來說,因為我們不知道它原來所在的環境狀況,因此必須對當時的形成過程做出非常有根據的猜測。」

為了讓推測更於理有據,科學家使用了行星科學領域的一種新工具:機器學習(machine learning)。

數百萬個隕石坑之一

確定行星表面年齡的唯一方法,是採集實質的樣本並研究其中的放射性化合物。但美國航太總署(NASA)和歐洲太空總署(ESA)的火星樣本返回計畫要到2030年代才能將一些原始的火星岩石帶回地球。在那之前,研究人員需要仰賴一種稱為隕石坑計數(crater counting)的技術來估計火星的表面年齡。

在地球上,強風、流動的水、噴發的熔岩和豐饒的生物會迅速抹去先前撞擊所產生的隕石坑。但在火星上則不然,這是個地質活動闕如、風力微弱且缺少地表液態水的世界。在火星上,相當大型的隕石坑能在數億年或甚至數十億年內都保持完好無損的狀態。假設撞擊頻率隨時間的變化是已知的,那麼有更多隕石坑的火星表面會比隕石坑較少的表面更為古老。

科學家可以利用其他方法來推斷隕石坑的年齡。「當小行星撞擊表面時,會有一堆碎片彈飛出來。」這項新研究的主要作者──科廷大學的行星地質學家安東尼.拉加恩(Anthony Lagain)說。掉回火星的碎片會再度撞擊地表,並在原本的主隕石坑周圍形成較小的次級隕石坑。即使是在火星上,這些次級隕石坑也會在數百萬年內被風侵蝕,因此任何被次級隕石坑包圍的大隕石坑,一定都是在火星歷史的近期才形成的。

「為了更準確地推估地表的年代,我們需要找到更小的隕石坑,」科廷大學的天文地質學家、該研究的共同作者格雷琴.貝內迪克斯 (Gretchen Benedix) 表示。小型撞擊比大型撞擊更為常見,因此科學家可以利用兩個表面區域內小型隕石坑數量的細微差異,來計算出更詳細的時間軸。

為了確定某個隕石坑的年齡是否恰好是110萬年,研究團隊必須對火星的小型隕石坑進行編目,並用它們來精確推斷火星表面的形成年代。如果完全以人工進行,那會是相當痛苦的工作。因此他們將火星的軌道影像輸入機器學習程式,並訓練它尋找直徑不到1公里寬的隕石坑。

科廷大學的數據科學家、該研究的共同作者哥斯達.塞維斯(Kosta Servis) 說,程式很快就發現了大約9000萬個隕石坑。有了隕石坑的時間線後,研究團隊便能縮小耗乏輝麥長無球粒隕石的可能起源範圍。

巨型火山的碎片

在篩選數據後,研究團隊在火星的火山地區發現了19個大型隕石坑。這些隕石坑周圍散布著多個次級隕石坑──顯示這些行星傷痕可能與他們所尋找的110萬年隕石坑同樣古老。之後,研究人員利用9000萬個小型隕石坑的目錄,得以精確地推測從大隕行石坑輻射出來的碎片層年代,從而更準確地估計它們的年代。

有些隕石坑的年齡符合預期,但這樣還不夠。周圍地形的形成年代也必須與隕石中發現的礦物年齡相符才行。為了驗證這一點,研究團隊再次使用他們的隕石坑目錄確定火山平原的年代。

在這19個隕石坑中,只有兩個是從110萬年前撞擊事件產生的年輕火山沉積物中挖掘出來的:09-00015隕石坑和圖廷隕石坑。後者(以倫敦的一個地區命名)看起來是由強大的斜向撞擊所形成──這種撞擊會將大量的火星隕石送進太空。

「圖廷隕石坑有種特殊的多層噴射物沉積,這顯示撞擊發生時周圍有冰或水存在。」倫敦自然歷史博物館(Natural History Museum)的行星科學家彼得.格林德羅德(Peter Grindrod)說,他並未參與此項研究。撞擊模擬顯示,冰和水可以產生更多的碎片,如果動量足夠,就會有大量碎片逃逸到太空之中。

有了這些證據,研究團隊確定30公里寬的圖廷隕石坑就是耗乏輝麥長無球粒隕石的主要起源地。 「這是個相當完善的論證,」戴利說:「一切似乎都很吻合。」

科學家還沒有完全排除 09-00015 隕石坑的可能性,但重要的是這兩個隕石坑「都位於塔爾西斯地區,那裡有個巨大的熱點,或者說是超級地函柱,長久以來一直被認為是造成火星表面巨大隆起的原因。」格林德羅德說。不管隕石來自哪個特定的隕石坑,它們都可以告訴我們火星上最大火山區的歷史。

先前的隕石坑計數顯示,塔爾西斯地區的部分特徵是在37億年前形成的,但較年輕的耗乏輝麥長無球粒隕石只有數億年的歷史。這表示塔爾西斯的超級地函柱幾乎與火星本身一樣古老,而且在火星其他許多火山中心消亡後相當長的一段時間裡,它仍持續產生岩漿。

就像地球的地函柱一樣,火星的地函柱幫助塑造了火星表面的演化,在大幅度改變火星地形的同時,也噴發出大量改變大氣的氣體。塔爾西斯超級地函柱可能對這顆紅色星球的發展,產生近乎持續性的影響。

火星頻繁噴發的日子早已過去,但塔爾西斯火山的持續活動支持了這樣的觀點:即使是那些原本應該在數十億年前就失去內部熱量的小型行星,也可以長期保持火山活動,時間遠遠超過我們的最初的估計。

解謎其他行星隕石坑

拉加恩的團隊受到這個發現的鼓舞,希望能夠進一步確認其他火星隕石的來源──包括一些最古老的隕石,這可能會揭露更多有關火星曾有大量液態水的歷史。

但這項研究的意義和未來可能的成功,都取決於機器學習程式是否能夠正確計數隕石坑數量。隕石坑的統計非常困難,例如:撞擊頻率隨時間的變化是估計出來的,火星上類似隕石坑的小型圓形結構可能會騙過電腦程式。

約翰霍普金斯大學應用物理實驗室(Applied Physics Laboratory)的行星火山學家勞倫.喬茲維亞克(Lauren Jozwiak)表示,機器學習「是試圖解決這個問題非常有創意的方法 」,她並未參與此項研究。「噢,我希望這個方法能夠成功,因為如果成功了,就能把這個方法應用到其他行星上,那就太酷了!」

這項研究的作者對此表示贊同。 「火星很酷,」貝內迪克斯說:「但這種演算法和方法不僅適用於火星,它還要上月球、到水星。」

如果機器學習真的解決了由來已久的隕石之謎,那它將為各種想不到的可能性敞開大門。「可以說,我們才剛開始看到機器學習對行星科學的影響。」格林德羅德表示。

延伸閱讀:天文學家可能在銀河系外發現了一顆「極端行星」 / 火星探測車毅力號首度採樣,樣本卻化為粉末與碎塊

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