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太阳系起源故事需要重写?

2015年,美国地质学家马克·哈里森从20多万块来自澳大利亚杰克山区深处的岩石碎片中,找到一块特殊的锆石。这块锆石上有两个石墨斑点,他对这两个斑点中碳-12与碳-13比值进行测定后,发现其比值竟符合生物通常所具有的比值。但这块锆石所在的地质时间大约有41亿年,而传统的说法是地球生命出现在38亿年前。所以,这意味着我们的地球第一次出现生命的时间至少提前了3亿年。
然而,生命过早地出现,却会带来一个巨大的矛盾。太阳系演化的传统模型认为,41亿年前的地球如同人间地狱,火山活动活跃,岩浆在四处流淌,而且太空碎块还对地球狂轰滥炸。按理说,那时候地球上不可能有生命出现,然而哈里森的锆石却不这么认为。这个矛盾该怎么解决呢?

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传统模型的困惑

但在解决这个矛盾之前,我们先来谈谈太阳系演化的传统模型。
大约在46亿年前,一个由尘埃和气体构成的巨大星云在一个不起眼的星系角落里,开始坍缩为一个密集的球形物质。随着周边越来越多的物质被拉向它,其核心的温度和压力不断地增加,最终这里发生了核聚变。核心释放出大量的能量。此刻,太阳诞生了。
太阳诞生后,周围小个体的物质也开始在各自轨道上坍缩为一个个天体。离太阳近的地方,大部分的冰水会被蒸发掉,只留下主要由金属化合物构成的较小的岩石行星。离太阳远的地方,气体和冰可以大量聚集,最终形成木星等气态巨行星。所有的行星差不多都在一个平面上运动,轨道也近似圆形。
这是一个很好的历史故事,但是很明显,故事不是完整的。首先,它很难解释所谓的特洛伊小行星——那些与木星共用同一个轨道,一起绕着太阳运行的一大群小行星。柯伊伯带——那些远在海王星之外的小天体,其中也包含冥王星——同样也很难理解:许多柯伊伯带里的天体的轨道与行星轨道平面有着巨大的倾角,而传统模型却无法解释这种情况。
最令人困惑的是,有证据显示月球曾经受过密集的陨石撞击。阿波罗号宇航员从月球带回来的岩石暗示,月球表面上多数的陨石坑是发生在39亿年前的一场密集的陨石撞击的结果,而传统模型也很难解释这个现象。

巨行星们的迁移

一个解决方案是以一个法国城市命名的模型,叫做尼斯模型。在这个模型中,太阳系中4个气态巨行星最初的位置比现在靠得更加紧密。最初的位置是不稳定的,导致了几亿年的引力动荡:巨行星们从原位置逐渐迁移到它们现在的位置。在这个过程中,迁移扰动了无数个散落在太阳系中的微小天体。许多陷入到木星的引力场中,成为特洛伊小行星,而其他的跑到太阳系边缘定居下来,成为有着高倾角的柯伊伯带天体。
与此同时,许多火星和木星之间的小行星都遭受到扰动,脱离轨道,与里层的行星相撞。这场剧烈的活动,被称为“晚期重轰炸”,在月球上留下了一个个陨石坑,而且对刚诞生的地球也带来一场严重的轰炸。
来自那一时期的固体岩石表明,早期大部分地表都被熔岩覆盖着。再加上晚期重轰炸,这使得地球变为了人间地狱。这个时期在地质学中叫做冥古宙,通常认为这时不适合生命的形成。相反,第一个生物留下的碳痕迹,则出现在距今约38亿年,恰巧大致出现在晚期重轰炸行将结束,地球终于迎来平和的时候。
因此,如果使哈里森兴奋的石墨斑点真的是生命留下的话,那么生命是怎么在一个似乎不可能的时间上出现的?

更早的迁移

解决矛盾的最简单的办法是,早期地球地狱般的环境,应该比之前所认为的要短暂的多。
事实上,早在1999年,地质学家就通过对杰克山区的锆石进行了分析,发现早在约44亿年前,一部分地表就发生了冷却。更重要的是,对锆石里氧含量的测量暗示着地表已足够温和,适合液态水的存在。
2013年,德国的地质学家又找到了新的证据,表明我们之前所认识的太阳系形成的故事不是完全正确的。他们分析了一块来自格林兰岛的石头——被认为可能是最古老的岩石,结果表明早在大约41亿年前,地球上就有着大量的金和铂,而之前认为这些金属是后来的晚期重轰炸所带来的。
2015年,又有新的发现对尼斯模型敲起了丧钟。美国俄克拉荷马大学的内森·卡尔布和卡内基研究所的约翰·钱伯斯发表了他们用计算机模拟太阳系形成的结果。他们的模拟是基于尼斯模型的,但结果显示在多数情况下,太阳系内部所形成的岩石行星数最终会少于4个,水星常常会丢失不见。只有在不到1%的情况下,基于尼斯模型的模拟才能创建出与现实差不多的太阳系。
这意味着尼斯模型与现实差距很大。不过,卡尔布有着一个惊人却简单的解决方法。他认为,巨行星仍然会迁移,产生特洛伊小行星和柯伊伯带,但它们行动的时间更早——迁移时最内层的行星仍然处在形成的过程中。这样,模拟结果就很容易与现实相符。另外,巨行星更早的迁移,意味着当地球完整形成后,大型的撞击物早已散去。也就是说,之后地球所遭受到的撞击并不像以前所认为的那样剧烈。

月球上的陨石坑

这个新理论不仅可以解释为什么太阳系会成为当前的样子,还可以解释为何地球很早就有了对生命友好的环境。但有一个谜团仍然存在。如果巨行星的迁移发生在地球和月球形成之前,地球和月球形成后,迁移引发的晚期重轰炸应该就结束了。那么是什么东西造就了月球表面的陨石坑呢?
美国普渡大学的大卫·明顿认为,答案就在离家不远的地方。尼斯模型认为大部分晚期重轰炸的撞击物来自小行星带。但是,月球上陨石坑的大小分布,与小行星的并不匹配。如果撞击物真的来自小行星带的话,那么月球上应该有更多更大的陨石坑,但事实上却没有。而明顿认为,他可能已经找到了一个更合理的来源:火星。
他仍在研究具体的细节,不过他认为已经找到了一个证据。这颗红色星球的北半球很低洼,而且比南半球更平整。这是因为这里是一个巨大的盆地,被称为北极盆地,面积大约占了火星表面积的40%。它被认为是一个直径约为2000千米的撞击物形成的,撞击后产生的碎片应该会撞到月球上,而这正好发生在距今大约39亿年前。
来自SETI(搜寻地外文明计划)的美国天体物理学家马蒂贾·库克有一个更为激进的解释,他不认为39亿年前存在一次对月球的密集撞击。阿波罗号宇航员从月球带回来的岩石,虽然显示着那时应该存在严重的多次撞击事件。但库克认为,这些岩石样品都来自形成雨海(月球上的陨石坑,是太阳系中最大的陨石坑)的撞击物。形成雨海的这次撞击产生的岩石碎片,会分散到月球的许多地区,所以从月球各处采集来的岩石样品会有着大致相同的历史,但事实上并不存在晚期重轰炸。他还认为,如果晚期重轰炸真的不存在,那么也暗示着早期地球的环境也不是那么极端。
不管是哪种方式,地球上相对平静的环境更早地出现,生命就会更早地出现。于是,就有了杰克山区的那块锆石。哈里森已经在杰克山区发现了另一块包含石墨的锆石,他将会继续分析里面的石墨。
如果最早的生命并不是诞生在距今约38亿年前,而是比预期的提前了几亿年,这说明生命是极为顽强的,只要条件稍微改善,生命就会把握住机会。哈里森认为,这表明宇宙的其他地方也更有可能存在着生命。所以说,我们新修订的太阳系的历史故事,指向了一个更为有趣的未来。

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