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16号小行星灵神星具独特金属表面 早期混乱太阳系可能比天文学家所想象的还要“金属”

2019/10/9 15:30:00 移动版

美国航天总署(NASA)的灵神星(Psyche)任务将在2026年抵达第 16号小行星灵神星──太阳系质量最大的小行星之一。 这颗小行星闪闪发亮的光泽暗示,它可

美国航天总署(NASA)的灵神星(Psyche)任务将在2026年抵达第 16号小行星灵神星──太阳系质量最大的小行星之一。 这颗小行星闪闪发亮的光泽暗示,它可能是早期行星铁镍核的一部分,或可能在形成后不久就有熔融的铁穿过薄层地函渗出。 ILLUSTRATION BY MAXAR/ASU/PETER RUBIN

据美国国家地理(撰文:MICHAEL GRESHKO 编译:邱彦纶):一个新的理论认为,早期混乱的太阳系可能比天文学家所想象的还要「金属」!

火山有可能喷发出金属吗? 如果最近的新理论正确,那么答案是──在过去是这样没错。 有些太阳系原始行星的火山渗出了熔融的铁和镍,而火山喷发过程或许能够解释一种美丽的神秘陨石──橄榄陨铁(pallasite)──是如何形成的。

科学家在9月23日出版的《自然天文学》(Nature Astronomy)期刊上发表的这个新理论,或许可以解释第16号小行星灵神星(Psyche)的部分怪异特征。这颗小行星宽278公里,具有独特的金属表面。 我们将在十年内检验这项研究的想法,因为美国航天总署(NASA)的灵神星任务将于2022年发射,轨道卫星将在2026年与同名小行星会合,并进行详细的测绘工作。

亚利桑那州立大学(Arizona State University)行星科学家林迪. 埃尔金斯斯-坦顿(Lindy Elkins-Tanton)是美国航天总署灵神星任务的研究计划主持人,她表示:「我真的很高兴看到这项研究的结果,因为如果其他人没有进行这些计算,那我们还是得做。 」

「我们之所以会这么兴奋,全都是因为灵神星任务,想到灵神星这颗小行星不再只是天空中某个发亮的小光点,而是个真实存在的天体,」这篇论文的第一作者──普渡大学(Purdue University)的行星科学家布兰登. 琼森(Brandon Johnson)补充说明,「无论灵神星任务发现什么,肯定都会让人兴奋不已。 」

金属光泽

灵神星表面的雷达测量结果,强烈显示这颗小行星带有金属般的光泽,这让科学家怀疑它是早期太阳系中形成的许多微行星(planetesimal)的裸露核心。 有个灵神星的形成理论认为,它最初是由铁镍核心和岩质地函组成,之后才在早期混乱的太阳系遭受猛烈撞击,而失去了地函。

但是自2017年以来,有两项关于灵神星的研究发现,这颗小行星的密度约为每立方公分4.2公克,这比我们所预期的铁镍团块密度还要低了45%左右。 如果灵神星全都由金属组成,那一定充满了非常多的孔洞。 还有另一个可能性是虽然灵神星拥有金属的表面,但仍至少保留了一些较轻的岩质地函。 但既然如此,为什么它的表面看起来与铁镍核心如此相像?

「它的密度太高了,不可能只是块岩石;但密度又太低,不可能全都是金属。 」埃尔金斯斯-坦顿说,「问题是,它到底是什么呢? 」

根据这项研究所提出的最新模型,答案可能藏在数十亿年前,灵神星在形成之初的1000万到1亿年之间,冷却变成固体之时。 当灵神星的核心温度仍足够高温,而呈现液体状态时,渗出的金属物质(铁、镍和硫的混合物)可能就开始从最外层开始凝固。 这么一来,核心的铁和镍会形成结晶,并向灵神星的中心扩散,就像在窗玻璃上的冰霜分支一样。

但是,在有硫存在的情况下,铁和镍不会形成结晶。 因此当这些金属持续凝固时,核心中所残余的熔融金属会含有更多的硫。 随着熔化物内累积的硫越多,就能在更低的温度下保持液态。 纯铁在低于摄氏1538度时会开始凝固,但是比例正确的铁硫混合物可以在温度低至摄氏988度时仍保持液态。

琼森和他的同事计算得出,根据这些熔化物的空隙大小,内部的熔融金属可能会承受巨大的压力,约为每平方吋数百磅。 这样的压力就像挤牙膏一样,可以让熔融金属穿过上方的地函。 如果地函的厚度低于约48公里,甚至能够抵达天体表面,形成类似火山口的特征。 琼森表示,如果人类可以漂浮在这些渗出物上,也许就会看到大型的裂缝,以及渗出的灼热铁镍。

研究团队将他们所提出的这种理论性过程,命名为「铁火山作用」(ferrovolcanism),这可能有助于解释灵神星的奇特外观和密度。 琼森和他的伙伴迈克尔. 索里(Michael Sori)及亚历山大. 埃文斯(Alexander Evans)发现,如果小行星的铁核上方有25公里厚的岩石地函,那么我们所观测到的灵神星密度就说得通了。 而且如果灵神星确实具有岩质的地函,那么来自小行星核心的铁火山渗出物,可能已经在地函上镶嵌了金属。

「我认为最有趣的部分,是这项研究暗示灵神星可能不是颗铁镍球体,也不是个裸露的核心,」琼森表示,「如果我们的想法没错,灵神星可能有数十公里厚的地函。 」

宝石镶嵌的陨石?

埃尔金斯斯-坦顿对此研究的计算工作表示赞赏之意,但她也警告,我们仍然不知道这种火山活动的程度,而雷达数据显示灵神星的表面大部分都是金属。

「也许灵神星是个微行星的核心,但有许多岩石不均匀地剥落,或者它可能只是一团混乱,有很多种可能性。 」埃尔金斯斯-坦顿表示,「但至少它不会是颗太空中的金属球。 」

虽然如此,铁火山作用这种理论仍然很有吸引力,部分原因是它还能够解释一种神秘陨石──橄榄陨铁──的起源。 橄榄陨铁是在铁镍基质中镶嵌了绿褐色的晶体──橄榄石矿物所组成,有时候镶嵌其中的晶体甚至是贵橄榄石(peridot) ──宝石等级的橄榄石(olivine)。 由于橄榄石是在地函中形成,科学家们一直认为橄榄陨铁是地函和核心的混合物,因远古时期的碰撞而在太阳系中高速飞驰,有些掉落在地球上。 但是,橄榄陨铁的确切起源仍然是个争论不休的未定之数。

琼森说:「从本质上来说,这种铁火山能将核心物质与地函混合。 」

但埃尔金斯斯-坦顿表示,将熔融的铁和矿物质混合还不能形成橄榄陨铁,这些陨石经常也缺乏其他矿物质。 但在微行星形成的时间轴中,仅由橄榄石形成的晶体在天体深层地函大量存在的时间窗期非常短暂。

「如果可以只让铁镍岩浆喷发到那一层,那么我认为这个机制行得通,」她说,「但至少在我看来,这无法解决橄榄陨铁的所有奥秘。 」

灵神星轨道卫星将会在2026年开始研究这些谜团。 科学家能够藉由小行星表面重力的差异,分辨小行星内部有许多不同分层,或是全部都是由多孔隙的金属组成。 轨道卫星还能测绘灵神星的表面成分,如果在灵神星表面发现橄榄石,那表示灵神星可能产生了太阳系部分的橄榄陨铁──甚至是我们在地球上发现的那些。

尽管还要好几年才能得到灵神星任务的数据,但琼森仍然很高兴终于可以近距离看到这颗不寻常的小行星,「能看到了另一个世界,这就是行星科学家奋斗的目标。 」

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