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地球上的火星陨石可能是一百万多年前从太阳中系最大火山“图廷陨石坑”中喷发出来

这张火星全球地图上的颜色代表含有不同大小陨石坑的区域。藉由识别约9000万个小型陨石坑,研究人员得以计算出火星不同区域的年代,发现有群陨石可能源自某个特定的陨石

这张火星全球地图上的颜色代表含有不同大小陨石坑的区域。藉由识别约9000万个小型陨石坑,研究人员得以计算出火星不同区域的年代,发现有群陨石可能源自某个特定的陨石坑。 PHOTOGRAPH BY LAGAIN ET AL. (2021), NATURE COMMUNICATIONS 

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:ROBIN GEORGE ANDREWS 编译:邱彦纶):奇特的火星陨石可追溯至太阳中系最大的火山结构,这些岩石很可能是在一百万多年前从图廷陨石坑(Tooting Crater)中喷发出来的,科学家正借此拼凑出红色星球的动荡历史。

大约100万年前,有颗小行星撞上了原本平静的火星表面。撞击射出大量碎片,其中部分岩石碎片划破天空,摆脱了火星重力,穿越黑暗的太空。

有些岩石最后来到了地球,并在穿过地球大气层的过程中幸存,然后撞上地球表面──像是在2011年坠落在摩洛哥的一块重达6.8公斤的碎片。现在,科学家将这些陨石命名为「耗乏辉麦长无球粒陨石」(depleted shergottite),超过12块的太空岩石构成了已知317颗火星陨石中耐人寻味的一部份──这是我们地球上唯一的火星物质。

确认这些陨石来自火星的哪个区域,是拼凑火星历史的关键,同时也是一项重大的科学挑战。现在,藉由陨石坑计数机器学习程式的帮助,有群研究耗乏辉麦长无球粒陨石的科学家团队可能终于破解了这个悬案。他们得到的结论是,这些地质喷发物来自火星塔尔西斯(Tharsis)火山高原上的一个火山口,而这片火山地形正是太阳系中最庞大的。

这个位于火星的「火山巨兽」拥有数千座独立的火山,面积是美国大陆的三倍,由数十亿年来无数的岩浆注入和熔岩流层层累积形成。塔尔西斯山群的质量非常巨大,在形成过程中让火星倾斜了20度。

如果这些陨石确实就像他们发表在《自然通讯》(Nature Communications)期刊上的分析所显示的那样来自塔尔西斯,那么科学家就能够找到并利用它们帮助确认,是什么样的巨大力量建构出足以倾斜火星的雄伟地形。

并未参与此项研究的格拉斯哥大学陨石专家卢克.戴利(Luke Daly)表示:「这真的可以改变我们对火星的理解。」

来自陨石的线索

大多数的火星陨石都属于一种称为辉麦长无球粒陨石(shergottite)的类别,这种陨石以印度小镇斯赫尔加蒂(Sherghati)命名,因为这里在1865有居民看到一颗陨石从天而降。辉麦长无球粒陨石都是具有相似成分的火山岩,但其中一小部分称为「耗乏辉麦长无球粒陨石」的类型则具有奇特的化学特征。

在火星上,某些元素(如钕和镧)不太会与地壳下方「膏状」地函中的矿物质结合。而耗乏辉麦长无球粒陨石缺乏这些元素──因此才有「耗乏」之称,这显示它们来自火星的地函。

但这些岩石是如何接近地表,而能在撞击中喷飞呢?在地球上,地函岩石可以透过两种方式来到地表:当两个地壳板块分开而让地函得以上升时,或是称为「地函柱」(mantle plume)的超热地函物质喷泉从深处升起时。火星似乎从未有过板块构造,因此地函柱的是最有可能的状况。

科学家根据陨石中特定元素的放射性衰变,得知这些岩石都来自一个相对年轻的火山位置──也许是一堆熔岩流组成的沉积物。

如果这些飞过太空的火山岩都来自某一次撞击,那这次撞击一定非常强大,留下至少3.2公里或什至更大的陨石坑。这个陨石坑应该有110万年左右的历史,而陨石表面随时间受到宇宙射线轰击的改变,则揭露它们在撞击后在太空中飞行了多长的时间。

然而,即便有了这些线索,要将这些火星岩石碎片追溯到它们的原始位置依旧极其困难。它们就像从整块拼图分离出来的一片片独立拼图:如果不知道它们最初的环境是什么样子,几乎不可能将它们放回火星的某个特定区域。

「身为一位地质学家,我们会记录许多有关岩石样本采集地点的资讯,因为背景环境相当重要。」在格拉斯哥大学研究火星陨石的博士生阿因.欧布莱恩(áine O'Brien) 说,他没有参与此项研究。 「对火星陨石来说,因为我们不知道它原来所在的环境状况,因此必须对当时的形成过程做出非常有根据的猜测。」

为了让推测更于理有据,科学家使用了行星科学领域的一种新工具:机器学习(machine learning)。

数百万个陨石坑之一

确定行星表面年龄的唯一方法,是采集实质的样本并研究其中的放射性化合物。但美国航太总署(NASA)和欧洲太空总署(ESA)的火星样本返回计画要到2030年代才能将一些原始的火星岩石带回地球。在那之前,研究人员需要仰赖一种称为陨石坑计数(crater counting)的技术来估计火星的表面年龄。

在地球上,强风、流动的水、喷发的熔岩和丰饶的生物会迅速抹去先前撞击所产生的陨石坑。但在火星上则不然,这是个地质活动阙如、风力微弱且缺少地表液态水的世界。在火星上,相当大型的陨石坑能在数亿年或什至数十亿年内都保持完好无损的状态。假设撞击频率随时间的变化是已知的,那么有更多陨石坑的火星表面会比陨石坑较少的表面更为古老。

科学家可以利用其他方法来推断陨石坑的年龄。 「当小行星撞击表面时,会有一堆碎片弹飞出来。」这项新研究的主要作者──科廷大学的行星地质学家安东尼.拉加恩(Anthony Lagain)说。掉回火星的碎片会再度撞击地表,并在原本的主陨石坑周围形成较小的次级陨石坑。即使是在火星上,这些次级陨石坑也会在数百万年内被风侵蚀,因此任何被次级陨石坑包围的大陨石坑,一定都是在火星历史的近期才形成的。

「为了更准确地推估地表的年代,我们需要找到更小的陨石坑,」科廷大学的天文地质学家、该研究的共同作者格雷琴.贝内迪克斯 (Gretchen Benedix) 表示。小型撞击比大型撞击更为常见,因此科学家可以利用两个表面区域内小型陨石坑数量的细微差异,来计算出更详细的时间轴。

为了确定某个陨石坑的年龄是否恰好是110万年,研究团队必须对火星的小型陨石坑进行编目,并用它们来精确推断火星表面的形成年代。如果完全以人工进行,那会是相当痛苦的工作。因此他们将火星的轨道影像输入机器学习程式,并训练它寻找直径不到1公里宽的陨石坑。

科廷大学的数据科学家、该研究的共同作者哥斯达.塞维斯(Kosta Servis) 说,程式很快就发现了大约9000万个陨石坑。有了陨石坑的时间线后,研究团队便能缩小耗乏辉麦长无球粒陨石的可能起源范围。

巨型火山的碎片

在筛选数据后,研究团队在火星的火山地区发现了19个大型陨石坑。这些陨石坑周围散布着多个次级陨石坑──显示这些行星伤痕可能与他们所寻找的110万年陨石坑同样古老。之后,研究人员利用9000万个小型陨石坑的目录,得以精确地推测从大陨行石坑辐射出来的碎片层年代,从而更准确地估计它们的年代。

有些陨石坑的年龄符合预期,但这样还不够。周围地形的形成年代也必须与陨石中发现的矿物年龄相符才行。为了验证这一点,研究团队再次使用他们的陨石坑目录确定火山平原的年代。

在这19个陨石坑中,只有两个是从110万年前撞击事件产生的年轻火山沉积物中挖掘出来的:09-00015陨石坑和图廷陨石坑。后者(以伦敦的一个地区命名)看起来是由强大的斜向撞击所形成──这种撞击会将大量的火星陨石送进太空。

「图廷陨石坑有种特殊的多层喷射物沉积,这显示撞击发生时周围有冰或水存在。」伦敦自然历史博物馆(Natural History Museum)的行星科学家彼得.格林德罗德(Peter Grindrod)说,他并未参与此项研究。撞击模拟显示,冰和水可以产生更多的碎片,如果动量足够,就会有大量碎片逃逸到太空之中。

有了这些证据,研究团队确定30公里宽的图廷陨石坑就是耗乏辉麦长无球粒陨石的主要起源地。 「这是个相当完善的论证,」戴利说:「一切似乎都很吻合。」

科学家还没有完全排除 09-00015 陨石坑的可能性,但重要的是这两个陨石坑「都位于塔尔西斯地区,那里有个巨大的热点,或者说是超级地函柱,长久以来一直被认为是造成火星表面巨大隆起的原因。」格林德罗德说。不管陨石来自哪个特定的陨石坑,它们都可以告诉我们火星上最大火山区的历史。

先前的陨石坑计数显示,塔尔西斯地区的部分特征是在37亿年前形成的,但较年轻的耗乏辉麦长无球粒陨石只有数亿年的历史。这表示塔尔西斯的超级地函柱几乎与火星本身一样古老,而且在火星其他许多火山中心消亡后相当长的一段时间里,它仍持续产生岩浆。

就像地球的地函柱一样,火星的地函柱帮助塑造了火星表面的演化,在大幅度改变火星地形的同时,也喷发出大量改变大气的气体。塔尔西斯超级地函柱可能对这颗红色星球的发展,产生近乎持续性的影响。

火星频繁喷发的日子早已过去,但塔尔西斯火山的持续活动支持了这样的观点:即使是那些原本应该在数十亿年前就失去内部热量的小型行星,也可以长期保持火山活动,时间远远超过我们的最初的估计。

解谜其他行星陨石坑

拉加恩的团队受到这个发现的鼓舞,希望能够进一步确认其他火星陨石的来源──包括一些最古老的陨石,这可能会揭露更多有关火星曾有大量液态水的历史。

但这项研究的意义和未来可能的成功,都取决于机器学习程式是否能够正确计数陨石坑数量。陨石坑的统计非常困难,例如:撞击频率随时间的变化是估计出来的,火星上类似陨石坑的小型圆形结构可能会骗过电脑程式。

约翰霍普金斯大学应用物理实验室(Applied Physics Laboratory)的行星火山学家劳伦.乔兹维亚克(Lauren Jozwiak)表示,机器学习「是试图解决这个问题非常有创意的方法 」,她并未参与此项研究。 「噢,我希望这个方法能够成功,因为如果成功了,就能把这个方法应用到其他行星上,那就太酷了!」

这项研究的作者对此表示赞同。 「火星很酷,」贝内迪克斯说:「但这种演算法和方法不仅适用于火星,它还要上月球、到水星。」

如果机器学习真的解决了由来已久的陨石之谜,那它将为各种想不到的可能性敞开大门。 「可以说,我们才刚开始看到机器学习对行星科学的影响。」格林德罗德表示。




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