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Oct. 09 2019

鑲嵌寶石的隕石何處來?可能由重金屬太空火山鍛造!

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  • 美國航太總署(NASA)的靈神星(Psyche)任務將在2026年抵達第 16號小行星靈神星──太陽系質量最大的小行星之一。 這顆小行星閃閃發亮的光澤暗示,它可能是早期行星鐵鎳核的一部分,或可能在形成後不久就有熔融的鐵穿過薄層地函滲出。ILLUSTRATION BY MAXAR/ASU/PETER RUBIN

一個新的理論認為,早期混亂的太陽系可能比天文學家所想像的還要「金屬」!

火山有可能噴發出金屬嗎?如果最近的新理論正確,那麼答案是──在過去是這樣沒錯。有些太陽系原始行星的火山滲出了熔融的鐵和鎳,而火山噴發過程或許能夠解釋一種美麗的神祕隕石──橄欖隕鐵(pallasite)──是如何形成的。

科學家在9月23日出版的《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊上發表的這個新理論,或許可以解釋第 16號小行星靈神星(Psyche)的部分怪異特徵。這顆小行星寬278公里,具有獨特的金屬表面。我們將在十年內檢驗這項研究的想法,因為美國航太總署(NASA)的靈神星任務將於2022年發射,軌道衛星將在2026年與同名小行星會合,並進行詳細的測繪工作。

亞利桑那州立大學(Arizona State University)行星科學家林迪.埃爾金斯-坦頓(Lindy Elkins-Tanton)是美國航太總署靈神星任務的研究計畫主持人,她表示:「我真的很高興看到這項研究的結果,因為如果其他人沒有進行這些計算,那我們還是得做。」

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「我們之所以會這麼興奮,全都是因為靈神星任務,想到靈神星這顆小行星不再只是天空中某個發亮的小光點,而是個真實存在的天體,」這篇論文的第一作者──普渡大學(Purdue University)的行星科學家布蘭登.強生(Brandon Johnson)補充說明,「無論靈神星任務發現什麼,肯定都會讓人興奮不已。」

金屬光澤

靈神星表面的雷達測量結果,強烈顯示這顆小行星帶有金屬般的光澤,這讓科學家懷疑它是早期太陽系中形成的許多微行星(planetesimal)的裸露核心。有個靈神星的形成理論認為,它最初是由鐵鎳核心和岩質地函組成,之後才在早期混亂的太陽系遭受猛烈撞擊,而失去了地函。

但是自2017年以來,有兩項關於靈神星的研究發現,這顆小行星的密度約為每立方公分4.2公克,這比我們所預期的鐵鎳團塊密度還要低了45%左右。如果靈神星全都由金屬組成,那一定充滿了非常多的孔洞。還有另一個可能性是雖然靈神星擁有金屬的表面,但仍至少保留了一些較輕的岩質地函。但既然如此,為什麼它的表面看起來與鐵鎳核心如此相像?

「它的密度太高了,不可能只是塊岩石;但密度又太低,不可能全都是金屬。」埃爾金斯-坦頓說,「問題是,它到底是什麼呢?」

根據這項研究所提出的最新模型,答案可能藏在數十億年前,靈神星在形成之初的1000萬到1億年之間,冷卻變成固體之時。當靈神星的核心溫度仍足夠高溫,而呈現液體狀態時,滲出的金屬物質(鐵、鎳和硫的混合物)可能就開始從最外層開始凝固。這麼一來,核心的鐵和鎳會形成結晶,並向靈神星的中心擴散,就像在窗玻璃上的冰霜分支一樣。

但是,在有硫存在的情況下,鐵和鎳不會形成結晶。因此當這些金屬持續凝固時,核心中所殘餘的熔融金屬會含有更多的硫。隨著熔化物內累積的硫越多,就能在更低的溫度下保持液態。純鐵在低於攝氏1538度時會開始凝固,但是比例正確的鐵硫混合物可以在溫度低至攝氏988度時仍保持液態。

強生和他的同事計算得出,根據這些熔化物的空隙大小,內部的熔融金屬可能會承受巨大的壓力,約為每平方吋數百磅。這樣的壓力就像擠牙膏一樣,可以讓熔融金屬穿過上方的地函。如果地函的厚度低於約48公里,甚至能夠抵達天體表面,形成類似火山口的特徵。強生表示,如果人類可以漂浮在這些滲出物上,也許就會看到大型的裂縫,以及滲出的灼熱鐵鎳。

研究團隊將他們所提出的這種理論性過程,命名為「鐵火山作用」(ferrovolcanism),這可能有助於解釋靈神星的奇特外觀和密度。強生和他的夥伴邁克爾.索里(Michael Sori)及亞歷山大.埃文斯(Alexander Evans)發現,如果小行星的鐵核上方有25公里厚的岩石地函,那麼我們所觀測到的靈神星密度就說得通了。而且如果靈神星確實具有岩質的地函,那麼來自小行星核心的鐵火山滲出物,可能已經在地函上鑲嵌了金屬。

「我認為最有趣的部分,是這項研究暗示靈神星可能不是顆鐵鎳球體,也不是個裸露的核心,」強生表示,「如果我們的想法沒錯,靈神星可能有數十公里厚的地函。」

寶石鑲嵌的隕石?

埃爾金斯-坦頓對此研究的計算工作表示讚賞之意,但她也警告,我們仍然不知道這種火山活動的程度,而雷達數據顯示靈神星的表面大部分都是金屬。

「也許靈神星是個微行星的核心,但有許多岩石不均勻地剝落,或者它可能只是一團混亂,有很多種可能性。」埃爾金斯-坦頓表示,「但至少它不會是顆太空中的金屬球。」

雖然如此,鐵火山作用這種理論仍然很有吸引力,部分原因是它還能夠解釋一種神祕隕石──橄欖隕鐵──的起源。橄欖隕鐵是在鐵鎳基質中鑲嵌了綠褐色的晶體──橄欖石礦物所組成,有時候鑲嵌其中的晶體甚至是貴橄欖石(peridot) ──寶石等級的橄欖石(olivine)。由於橄欖石是在地函中形成,科學家們一直認為橄欖隕鐵是地函和核心的混合物,因遠古時期的碰撞而在太陽系中高速飛馳,有些掉落在地球上。但是,橄欖隕鐵的確切起源仍然是個爭論不休的未定之數。

強生說:「從本質上來說,這種鐵火山能將核心物質與地函混合。」

但埃爾金斯-坦頓表示,將熔融的鐵和礦物質混合還不能形成橄欖隕鐵,這些隕石經常也缺乏其他礦物質。但在微行星形成的時間軸中,僅由橄欖石形成的晶體在天體深層地函大量存在的時間窗期非常短暫。

「如果可以只讓鐵鎳岩漿噴發到那一層,那麼我認為這個機制行得通,」她說,「但至少在我看來,這無法解決橄欖隕鐵的所有奧祕。」

靈神星軌道衛星將會在2026年開始研究這些謎團。科學家能夠藉由小行星表面重力的差異,分辨小行星內部有許多不同分層,或是全部都是由多孔隙的金屬組成。軌道衛星還能測繪靈神星的表面成分,如果在靈神星表面發現橄欖石,那表示靈神星可能產生了太陽系部分的橄欖隕鐵──甚至是我們在地球上發現的那些。

儘管還要好幾年才能得到靈神星任務的資料,但強生仍然很高興終於可以近距離看到這顆不尋常的小行星,「能看到了另一個世界,這就是行星科學家奮鬥的目標。」

 

延伸閱讀:「不可思議」的NASA太空引擎?測試結果出爐! / 幾天前,一顆小行星與地球擦肩而過,我們幾乎毫不知情

 

 

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