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太阳系初期原行星曾发生大碰撞!陨石超高精度测年法解开灶神星谜团

2019年06月25日 海洋宇宙
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太阳系初期的原行星、即地球等行星的胚胎行星是在何时诞生、又是如何成长的?这个问题对思考太阳系的形成非常重要。众所周知,大部分原行星都随着碰撞等消失了,但位于火星和木星之间的小行星带中的太阳系第二大小行星灶神星是为数不多幸存下来的原行星。对来自灶神星的HED陨石群进行研究发现,这个天体与很多其他小行星不同,现在依然保留着诞生之初的地壳、地幔和金属地核的分层结构,地壳厚度据估计约为40km(图1)。

太阳系初期原行星曾发生大碰撞!陨石超高精度测年法解开灶神星谜团

图1:(左)黎明号探测器拍摄的小行星灶神星(NASA)。(右)灶神星的内部结构推测。在陨石研究和利用黎明号探测后的模拟研究中,估算的地壳厚度不同。

另外,灶神星的南半球存在着与灶神星的直径(约525km)基本为相同尺寸的巨大撞击坑。2011~2012年利用黎明号探测器(NASA)进行观测时,为了观察灶神星的内部结构,详细调查了撞击坑的内部。不过,没有检测出本应存在的地幔物质,根据这个观测结果进行模拟研究,推算出灶神星的地壳厚度为80km以上。但一直不清楚灶神星为何拥有如此厚的地壳。

来自灶神星的另一个陨石群是中陨铁。中陨铁与HED陨石不同,是由地壳物质和金属地核构成的石铁陨石,从其性质上来看,应该是在拥有分层结构的天体被大规模破坏时形成的。不过,如果这个陨石是在灶神星形成的,那么就意味着灶神星经历过一次大破坏,这与仍然保留着诞生之初的分层结构的理论相矛盾。因此,人们此前一直不太清楚中陨铁在灶神星上是如何形成的。

本研究查明了中陨铁在小行星灶神星上的形成过程,并研究了灶神星发生巨大碰撞的可能性,以前的研究没有考虑过这一点。如果中陨铁的母天体是灶神星,那么灶神星应该发生过形成中陨铁所需的大规模破坏,其原因就是巨大碰撞。另外,发生巨大碰撞的年代在中陨铁和HED陨石中应该都有记录痕迹。因此,研究小组此次试着高精度确定了中陨铁的形成年代。

中陨铁中存在非常微量的小矿物锆石。锆石是一种极为稳定的矿物,适合使用铀铅测年法。近年来取得发展的、利用表面电离型质谱仪的铀铅测年法(ID-TIMS法)能以超高精度确定锆石的形成年代。本研究首次利用ID-TIMS法对5块中陨铁中所含的锆石实施了超高精度测量。

根据确定的中陨铁形成年代判明,其母天体在距今45.59±0.02亿年前形成地壳后,在45.254±0.009亿年前经历了大规模破坏(巨大碰撞,图2上)。另外,以前通过对HED陨石实施测年已经知道,灶神星的地壳形成于45.5亿年前,在距今45.2~45.3亿年前因为某种原因被从外部重新加热(图2下)。中陨铁母天体的地壳形成年代和发生巨大碰撞的年代与通过HED陨石了解到的灶神星的演化史基本吻合。包括年代在内,迄今为止获得的所有科学数据均与HED陨石一致,由此确认,中陨铁的母天体与HED陨石一样,都是灶神星。

太阳系初期原行星曾发生大碰撞!陨石超高精度测年法解开灶神星谜团

图2:中陨铁及HED陨石的年代相关直方图。(上)利用铀铅测年法对中陨铁中所含的锆石进行测年获得的母天体演化史。(下)利用铀铅测年法对HED陨石(钙长辉长无粒陨石)进行测年获得的灶神星演化史。两个陨石群的地壳形成年代与重新加热(巨大碰撞)的年代一致。

研究小组根据这个结果,研究了灶神星的几种巨大碰撞模型。发现其中的碰撞逃逸型(Hit-and-Run)碰撞模型不仅能解释中陨铁的形成,还可以解释灶神星南半球的超厚地壳的谜团(图3)。

太阳系初期原行星曾发生大碰撞!陨石超高精度测年法解开灶神星谜团

图3:小行星灶神星的巨大碰撞模型

首先,小行星灶神星是带着厚约40km的地壳诞生的。之后在45.25亿年前与其他小行星发生碰撞,北半球的大部分遭到破坏。此时,除地壳和地幔物质外,处于熔融状态的金属地核也有极少一部分飞向宇宙空间。这些物质大部分都无法摆脱灶神星的引力,在受碰撞影响相对较小的南半球厚厚地沉积在一起。中陨铁被认为是在含金属地核物质的碰撞破碎物沉积到南半球时,与地壳物质发生混合形成的。

最终,南半球的地幔上形成了由地壳和碰撞破碎物构成的厚80km以上的地层。黎明号探测器发现的异常厚的地壳就是这个由地壳与碰撞破碎物形成的地层,也被认为是45.25亿年前的巨大碰撞导致灶神星的地层结构发生巨大变化的证据。

(日文全文)

文:JST客观日本编辑部

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