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小行星如何将水给早期地球:垂直枪实验教你还原现场

2018-05-08   米币网

  新浪科技讯 北京时间5月8日消息,据国外媒体报道,地球表面的70%被海洋覆盖,如此大量的水来自哪里?科学家对此提出了许多假说。你可能听说过地球的水起源于小行星的理论,即小行星通过撞击将水转移到极为干燥的早期地球。但你或许会想,小行星不可能为地球带来所有的水。不过,通过模拟小行星撞击事件,科学家表示这一假说很可能成立。

  美国布朗大学的科学家发现,来自小行星的熔化岩石“锁住了令人难以置信的水量”。这种现象不仅对于地球历史非常重要,而且对其他行星也同样重要。“在其他行星系统中,如果撞击能成功锁住成长中的行星的水分,那我们就有充分的理由相信许多行星表面和内部有水存在,”研究作者特里克·戴利(Terik Daly)说,“如果这些水是液态的(而不是水蒸气或冰的形式),那么,没错,你就有了目前已知的三种生命关键组分之一。”

  “水和挥发物的来源和运输是行星科学中的重大问题之一,”特里克·戴利补充道,“这些实验揭示了一种机制,小行星可以通过这种机制将水输送到行星、卫星和其他小行星,这一过程开始于太阳系形成初期,到现在依然在进行。”

撞击实验留下的玻璃物质撞击实验留下的玻璃物质

  研究人员利用美国航空航天局的“艾姆斯垂直射击靶场”(Ames Vertical Gun Range)来进行模拟实验。这是一把垂直巨枪,从20世纪60年代开始就在阿波罗登月项目中帮助科学家研究高速撞击的效果。此次实验是在真空中进行的,研究人员利用2.5米长的垂直枪将用蛇纹石制成的“子弹”射出,来模拟小行星的撞击。这些子弹的速度是一般子弹加速时的两倍,达到每小时18000公里,以45度向下击中一块不含水的火山岩——代表我们的早期地球。

  撞击结果显得十分混乱,留下大量“陨石”碎片、角砾岩(由众多更小的碎屑组成的一种岩石)和由撞击高温中形成的玻璃。根据发表在近日《科学进展》(Science Advances)上的研究结果,这三种组分中都含有来自“小行星”碎片的水。从陨石中逃逸出来的水蒸气可能在角砾岩和玻璃的形成过程中被锁住。

  瑞士伯尔尼大学的研究者Kathrin Altwegg并未参与此次研究,她表示,这个实验及其结果都非常棒。最重要的是,这表明了实际、明确的实验在验证理论时有多么重要,而不仅仅是就模型展开争论。

  Kathrin Altwegg解释道,有一些科学家根据自己的模型研究结果,并不赞同小行星将水带给地球的观点,而是宣称“所有水分和挥发物在撞击之下都散失了”。但是,这一实验表明“小行星确实很可能是地球水体的来源”。

  这场争论还将继续,一个实验或一篇论文还不足以回答地球上的水来自哪里的问题。此外,这只是一次小规模的实验,而不是真正的陨星撞击,因此还不是对小行星输水假说的完美验证。在太阳系形成初期,行星、原行星和小行星之间经常发生碰撞,布朗大学的这一实验表明,小行星很可能在碰撞过程中将一部分水转移到了早期地球上。

美国航空航天局的“艾姆斯垂直枪靶场”美国航空航天局的“艾姆斯垂直枪靶场”

  艾姆斯垂直射击靶场

  美国航空航天局的艾姆斯垂直射击靶场主体是一把长2.5米的垂直巨枪,是研究太阳系不同位置陨石撞击效果的有效工具。大多数岩石星球,以及小行星、彗星表面都有大量或大或小的陨石坑,而地球由于构造活动使地壳再生,消除了各种太阳系碎片遗留的长期痕迹。这把垂直枪与一般的枪支不同,在枪管的末端有一个弹药爆发装置,可以将氢气压缩到百万倍大气压,压缩气体释放时,能使子弹以每小时11265到24120公里的速度射出。高速摄像机会以每秒百万帧的速度记录撞击效果。

  在近50年的历史中,垂直射击靶场帮助科学家解决了许多问题,比如为什么火星上的撞击痕迹与金星上的不同。布朗大学的彼得·舒尔茨(Peter Schultz)教授在靶场工作了30多年,进行了许多实验,以模拟不同陨石构成带来的不同撞击效果。“模拟火星撞击与金星不同。火星稀薄的大气会使撞击产生的物体向各个方向喷射,”舒尔茨说,“但在金星上,大气压会阻止这些物体扩散,有点像一个高压锅。”

  随着计算机和处理器的技术发展,以数字形式模拟非常复杂的现象已经变得十分容易,但舒尔茨并不认为这些会取代垂直射击靶场。“我的部分乐趣就是找到计算机无法完成的事情,而且它永远不会过时,”舒尔茨说道。(任天)

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