距今70億年!地球上最古老的物質比太陽還要古老

一項最新研究表明，地球上年代最久遠的物質大約形成於70億年前，其年代要比地球甚至太陽的形成年代久遠得多。這一發現將為研究恆星的形成與演化提供重要線索。

隕石塵埃中的碳化矽顆粒的掃描電子顯微鏡圖像，顆粒最長軸長度約為8微米（PNAS/ Janaína N. vila/圖）

根據目前我們對太陽系演化的認識，太陽形成於46億年前，而地球的形成稍晚於這個時間，大約形成於45.4億年前。在這之後的漫長時間裡，地球發生了翻天覆地的變化。地質學家一直在尋找地球上仍然存在的最古老的物質，以期重建地球的歷史。但一項最新研究表明，地球上年代最久遠的物質來自太空，而且年代要比地球甚至太陽的形成年代久遠得多。

2020年1月13日，一個由來自美國芝加哥菲爾德自然歷史博物館、美國芝加哥大學和澳大利亞國立大學等機構的研究人員組成的團隊在《美國國家科學院院報》（PNAS）上發表了一篇論文，宣布他們在一塊隕石上發現了目前地球上已知最古老的物質。這些物質中年代最久遠的大約形成於70億年前，有望提供研究恆星形成與演化的重要線索。

收藏於美國史密森國家自然歷史博物館的一塊默奇森隕石（Wikicommons/圖）

隕石上的證據

研究團隊研究的這塊隕石被稱作「默奇森隕石」（Murchison meteorite），它對科學界來說有非同尋常的意義。1969年9月28日，一塊隕石衝進大氣層，碎片散落在澳大利亞維多利亞州默奇森附近，這一過程被當地人目擊到。事後，科學家搜集到的碎片總質量超過100千克。這些碎片被送往世界各地的研究機構，使得默奇森隕石成為被研究得最充分的隕石之一。這篇最新論文的第一作者、菲爾德自然歷史博物館副館長、芝加哥大學副教授菲利普·赫克（Philipp Heck）表示：「默奇森隕石對科學界來說是一個寶庫。」

科學家對這塊隕石感興趣的主要原因除了它質量較大以外，還因為通過研究他們發現這塊隕石富含有機物。例如，不久前的2019年11月，一個研究小組就在《美國國家科學院院報》上發表論文，報告他們在默奇森隕石上首次檢測出來自地外的生命必需的糖類。在此之前，研究人員也曾多次在默奇森隕石上發現不同類型的地外有機物。

在這項最新公布的研究中，研究人員分析了50個形成於太陽系誕生之前的顆粒，並且估計了其中40個顆粒的形成年代。他們發現，其中的60%的顆粒的形成年代比太陽系的形成早3億年或更短；而其中的一小部分，大約8%的顆粒的形成年代，要比太陽系的形成早至少10億年，個別甚至早超過20億年，使得它們成為已知的最古老的物質；其他顆粒的形成年代則在二者之間。

早在1990年，芝加哥大學的科學家就從默奇森隕石上分離出了這些顆粒，但是當時的技術不足以對這些顆粒形成的確切年代進行分析。時隔30年，研究人員終於可以解碼其中的時間密碼。他們首先將小塊隕石粉碎成粉末狀。根據研究人員的說法，這些粉末有刺激性氣味，聞起來就像是變質的花生醬。接下來，研究人員使用不同種類的化學試劑來溶解掉粉末中的矽酸鹽和其他在太陽系中形成的物質，以便得到在太陽系形成之前就已經存在的耐酸部分。

雖然在這個過程中很多古老的物質都丟失了，但是研究人員還是得到了數以萬計的古老物質的顆粒，其中包括100個左右的「大顆粒」。不過，這裡的「大」是一個相對概念，因為在這項研究中被分析的材料的總質量只有300納克而已。赫克把這個方法描述為「大海撈針」。

研究人員為了確定這些微量物質的年代，使用了一種特別的技術來測量宇宙線轟擊這些顆粒的效應。當這些顆粒飄浮在星際空間中的時候，它們會暴露在宇宙線中，而宇宙線的主要成分是高能質子。大部分高能質子會和塵埃顆粒擦肩而過，但是有時候也會發生相互作用——高能質子會轟擊顆粒中的原子。

宇宙線中的高能質子轟擊碳化矽分子後，其中的矽原子會分裂成氦和氖。測量時，研究人員把顆粒放在質譜儀中，顆粒被雷射加熱後會釋放出氣體，其中包含氖原子和氦原子。通過檢測氦原子自旋的類型和氖原子自旋的類型，研究人員就可以確定它們是否由宇宙線轟擊產生的。根據宇宙線轟擊產生氦原子和氖原子的速率相對恆定這一假設，研究人員在了解有多少宇宙線產生的氦原子和氖原子後，就可以推算顆粒形成的年代。

這種測量顆粒年代的方法此前已經在粒子加速器上得到了檢驗，證明它可以得出準確的年代估計值。為了使這種方法更容易理解，赫克打了一個比方：「這相當於暴雨天在外面放一個水桶，然後我們根據累計的雨量，就可以知道外面的雨下了多長時間。當然，這有一個前提，就是降雨的速率要是恆定的。幸運的是，宇宙線轟擊的情況是這樣的。」

不過，材料越古老，或者顆粒越小，測定年代的不確定性就越高。研究人員在計算過程中要用到很多模型，比如宇宙線轟擊材料的速率以及這些轟擊對矽原子的作用情況都是需要被估算的變量。這不是一種直截了當地去測量同位素豐度然後通過測量直接得到年代的方法，因此結果還需要得到進一步的驗證。

恆星「嬰兒潮」

赫克表示，在來到地球的隕石中只有大約5%含有太陽系形成前就已經存在的顆粒物質，而在隕石中的所有顆粒中，太陽系形成前的物質只佔百萬分之幾。因此，研究材料很難得到，所幸菲爾德自然歷史博物館擁有數量最多的默奇森隕石樣品。雖然數量極少，但這些顆粒堪稱「時間膠囊」，保存了數十億年來星系和恆星演化的重要信息。

恆星也有自己的生命周期。氣體和塵埃在引力的作用下聚集在一起並發生塌縮，達到足夠質量後就會形成恆星。恆星在燃燒數十億年後會逐漸死亡，有的還會發生超新星爆炸，恆星內部核反應形成的各種元素會被拋散到星際空間中，為形成新的恆星、行星和衛星提供材料。

這項研究展示出地球上存在比太陽形成還要早20多億年的塵埃顆粒。根據這個結果，赫克和他的同事們為我們簡要描述了這些物質從形成到今日的圖景：研究中的一些顆粒可能形成於大約70億年前的一段活躍的恆星形成時期，這有點像恆星世界中的「嬰兒潮」。隨後在大約46億年到49億年前，伴隨著這些恆星生命的終結，這些顆粒又回到星際空間中。在一個新的恆星生命周期中，這些塵埃顆粒在銀河系的某處形成，聚集在一起，並且進入了圍繞初生太陽的氣體和塵埃盤。在盤裡它們與其他物質混合，最終聚合成一顆小行星。數十億年之後，小行星的一大塊墜落到澳大利亞，然後被科學家發現和研究。

學術界此前對於新恆星是以穩定的速率形成還是以變化的速率形成，存在不小的爭論。赫克認為，這項新的研究提供了直接證據，證明70億年前在銀河系內有一個恆星形成的高峰期。這是這項研究最關鍵的一個發現。同時，作為這項研究的另一個出人意料的結果，研究人員通過檢測顆粒中的物質與宇宙線進行相互作用的方式，發現這些顆粒在星際空間中漂浮的時候經常會聚集成像燕麥片一樣的團塊。此前，研究人員認為顆粒不可能在這樣的尺度上成團。

這個團隊接下來希望從默奇森隕石和其他隕石上分離出更多的形成於太陽系之前的顆粒，並用宇宙線的技術來測定它們的年代。有了更多的顆粒，研究人員就可以修正他們對顆粒年代的估計值，從而進一步提高這種方法的準確性。赫克希望這個結果能夠作為其他研究人員研究星系生命周期模型的參數，並且能夠有更多人加入到這個領域的研究中。

赫克認為這是自己參與過的最激動人心的研究。他在菲爾德自然歷史博物館官方網站上表示：「能夠用可以拿在手中的地質樣品研究天文學是我長久以來的願望。看到這些樣品就仿佛看到了我們星系的歷史。通過這些我們已知的最古老的材料，我們可以了解太陽，了解我們身體中的碳元素和我們呼吸的氧元素從何而來。」參與這項研究的芝加哥大學研究生珍妮卡·格裡爾（Jennika Greer）說得更加直接：「一旦知道了這個，你怎麼還會想去研究別的？這是世界上最有趣的事情。」

南方周末特約撰稿 鞠強