【科幻科學報 No.669】隕石裡的秘密─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017最ｉｎ話題 ■ 隕石裡的秘密
▌文╱魯賓（Alan E. Rubin）
▌譯╱邱淑慧
▌提供／科學人
我同情天文學家。無論是藉由電腦螢幕上的影像，或是冷冰冰的光譜儀處理過的光波，都只能遠遠地觀察他們所熱愛的恆星、星系和類星體。而我們這些研究行星與小行星的，卻常常可以親手撫觸心愛的天體，探索它們最深層的秘密。大學時我主修天文學，曾經在許多個寒冷的夜晚，透過望遠鏡觀看星團和星雲，所以我可以作證：手上拿著小行星的碎片能在情感上獲得更大的慰藉，讓我們與看似遙遠抽象的一切有了真實的連結。
最吸引我的小行星碎片是球粒隕石，自太空墜落的隕石中有超過80%屬於此類，命名緣由是因為內部含有球粒，也就是曾經熔融的物質所形成的小珠，通常比米粒還小，這種隕石在太陽系早期、小行星成形前就已存在。在顯微鏡下觀察球粒隕石的薄片，看來是如此美麗，絲毫不遜色於康丁斯基（Wassily Kandinsky）等抽象藝術家的創作。
球粒隕石是科學家所碰觸過最古老的岩石。放射性定年結果可追溯超過45億年前，那時行星還未形成，太陽系還只是一團處處充滿擾動、由氣體與塵埃構成的旋轉圓盤，天文學家稱為太陽星雲。球粒隕石的年齡與成份顯示，它們與行星、衛星、小行星和彗星一樣，都形成自太陽系的初始物質。大多數研究人員相信，球粒的形成，是因為高能量使富含矽的塵埃團塊熔化成許多液滴，這些液滴迅速凝固並且附著在塵埃、金屬與其他物質上，形成球粒，後來聚集形成小行星，小行星間的高速撞擊使它們碎裂，最後有些殘骸就掉到地球上成為隕石。這些隕石吸引我的並不只是美麗的外觀，而是它們可是太陽系誕生時所留下的化石，可提供探索地球形成時的狀態很重要的線索。
然而就如同人類學家所知，發現化石只是重建歷史的第一步，還必須把來龍去脈交代清楚。不過要推斷不同球粒隕石的來源和誕生環境是有困難的，因為對於這些岩石的詳細構造，我們所掌握的資料少得可憐。我在幾年前針對球粒隕石的物理性質做了一次有系統的全面檢視，填補了許多關鍵性的空缺。根據這些資料，我建立了一個大致的圖像，描述球粒隕石所源自的古老星雲構造。
雖然只是粗略的圖像，但值得注意的是，圖像中的塵埃分佈情形，與某些金牛座T型星（T Tauri）的恆星系統相似。金牛座T型星有不尋常的亮度變化，而且有厚重的大氣籠罩，因此被認為是年輕的恆星（或主序前星），多數有塵埃盤環繞。太陽星雲的塵埃圖像與許多金牛座T型星系統的構造吻合，這項結果支持一個說法，那就是太陽系這類行星系統的前身就是金牛座T型星系統。因此球粒隕石不但讓我們可以深入推測太陽系的過去，也提供了對銀河系其他年輕恆星系統的深入了解。同樣地，當科學家探究這些系統的物理性質時，也會對太陽系的小行星和行星的形成過程有更多了解。
球粒隕石的特性
想要分析球粒隕石來探索太陽系的原始樣貌，行星科學家首先得準確地衡量岩石的屬性。研究人員把球粒隕石分成12個基本類型，根據的特性有：整體的化學組成、混合的同位素（質子數相同但中子數不同的元素）、球粒的大小、數量及類型，以及緊密包覆著球粒與其他物質的塵埃基質多寡。因為每個類型的球粒隕石都有不同的物理、化學與同位素特性，因此一定是來自不同的小行星。為了解釋不同類型的球粒隕石最初是如何形成，研究人員發展出許多富有想像力的模型，其中牽涉到氣體擾動、磁場以及落入星雲中央盤面上的粒子速度等。然而，最後往往得到一個模糊的結論，就是各種球粒隕石是在「不同的情況」下形成的。
因為希望可以更確切掌握到底是什麼樣的不同情況，我從2009年開始埋首大量文獻資料，想要建立一個表格，列出球粒隕石主要類型的必要特性。一旦我手上有這樣的表格，就能找出每種特性之間的相關性，或許能揭示每個類型的歷史。但結果我所建立的表格中有超過一半是空格，看來有興趣蒐集這類資料的研究人員並不多。
於是唯一的選擇就是，我自己來。為了完成這個目標，我把自己定在顯微鏡前，檢視了分屬不同類型的53個球粒隕石、共91片的岩石薄片。厚度僅30微米的薄片中，許多礦物變得能夠透光，於是我們得以研究它們的光學性質。從這些樣本我們看到，球粒有各式各樣的大小、形狀、質地和顏色。分析數千個球粒肯定是很繁瑣的工作，但是這個在「顯微天文學」上的堅持，讓我在短短幾個月內把表格填滿了。我的發現並不能完全解決「不同情況」的難題，但是這個結果確實能夠更廣泛、更完善地解釋，不同類型的球粒隕石是來自太陽星雲的何處，以及它們的局部環境如何。
首先來看看一種較少見的種類——頑火輝石球粒隕石，僅佔地球上發現的球粒隕石的2%。這些岩石通常是根據含量最多的礦物：頑火輝石（MgSiO3）來命名的，而且該礦物有兩種型式，依據含鐵量的高低分別標示為EH和EL。科學家發現，這些球粒隕石中含有豐富的氮、氧、鈦、鉻、鎳的特定同位素，和地球及火星相似，因此他們推論頑火輝石球粒隕石可能形成於火星軌道以內，與其他球粒隕石類型被推論出的生成地點比較起來，顯然比較靠近太陽。
第二種稱為普通球粒隕石，共有三個不同但密切相關的群組，依照鐵的含量和型式分別標示為H、L和LL。「普通」指的是出現頻率，它們共佔所發現隕石的74%。這三類隕石的數量之多，顯示它們在太陽系中的形成區域，受到的重力會傾向把隕石丟到地球上來。
美國加州大學洛杉磯分校的華生（John Wasson）曾經提出，普通球粒隕石是來自小行星帶（位在火星與木星軌道之間）中心朝向太陽的一側。小行星與太陽的距離約是地球與太陽距離的2.5倍，也就是2.5天文單位（AU），12年會繞太陽公轉三圈，木星距離太陽5.2天文單位，12年繞太陽公轉一圈。這樣的共振表示木星的巨大重力會經常拉扯這些小行星，把許多小行星給拉到內太陽系。瑞典的科學家發現，有數十個普通球粒隕石是存在於年齡4億7000萬年的岩石內，這個跡象顯示，在地球46億年的歷史中，有超過1/10的歲月承受著球粒隕石的攻擊。
第三種是極為罕見的魯木路提（Rumuruti）球粒隕石，或稱為R球粒隕石，目前只在肯亞的魯木路提發現過。這種隕石有許多化學性質與普通球粒隕石相似，但是含有較多的基質，而且氧17相對於氧16的比率明顯偏高。星雲的高溫有助於平衡同位素的豐度，因此當距離太陽越遠，同位素的不平衡就越容易保留下來。R球粒隕石的同位素如此不平衡，可見其形成區域比普通球粒隕石距離太陽還遠。
另一方面，高溫也會破壞有機化合物，因此，比上述三種含有更多有機化合物的碳質球粒隕石，應該比R球粒隕石離太陽更遠。碳質球粒隕石又可分為六個主要類型，根據它們的化學、同位素和構造等特徵，各自可以具體分配到星雲的特定位置。
塵埃透露的訊息
除了化學組成之外，球粒隕石的內部結構也會顯示出形成時環境的塵埃量。在太陽系演化的每個過程中，塵埃一直都是關鍵。太陽與行星所源自的初始星雲剛開始收縮時，塵埃顆粒變得更能有效捕捉紅外輻射，使星雲中心溫度上升，後來促成原恆星的形成。接著，塵埃以及外圍的冰落入星雲的中央盤面，並且聚集成較大的團塊，最後形成多孔隙的物體，也就是微行星，大小從數公尺到數十公里都有。這些微行星中有些會熔化。而行星就是由熔化與未熔化的微行星組合而成，彗星和小行星則比較可能是由未熔化的微行星吸積而成，因此組成成份較均勻。
有個線索可以知道特定類型的球粒隕石形成區的塵埃豐度，就是在球粒中有塵埃球殼包圍的矽質核心。例如在某些碳質球粒隕石的球粒中，通常會有一個核，或是「主要的」球粒，外圍包裹著成份類似但曾經熔融的物質球殼。通常這個第二層的殼層本身也被稱為火成環圈的第三層外殼包圍，第三層的礦物顆粒比中心核的礦物顆粒細小許多。
許多隕石研究人員認為，第二殼層的產生，是因為原本的球粒在最初的熔化後凝固，會產生一個多孔隙的塵埃殼層，在經歷第二次中等能量的事件時，外殼會熔化但內部的球粒不會。後來，陸續發生幾次能量較低或是持續時間較短的事件，就產生了火成環圈，這是很簡單的道理。但是，各種球粒隕石中含有許多這樣層層外殼球粒的，看起來是形成於多塵埃的環境中。
如果在多次熔化之間，球粒是沉浸在塵埃中，自然會產生大顆的球粒，有著厚厚的第二殼層和火成環圈。因此，這樣的特徵顯示球粒隕石形成時的環境有著大量的塵埃，包裹在塵埃中的球粒也會冷卻得比較慢，因為熱無法快速輻射出來，而冷卻速度較慢也會促使鈉和硫等易揮發元素揮發。雖然大多數的揮發物質已經凝固在鄰近的塵埃上（最後結合成球粒隕石），但還是會遺失一部份。球粒隕石若含有較大球粒且球粒被塵埃包圍，其內部鈉和硫的成份會比形成於缺乏塵埃環境的球粒隕石低。我發現事實的確是如此。
將此與其他有關母小行星預設位置的資訊結合，我發展出一個粗略的圖形，說明整個早期太陽系的塵埃豐度。根據推測，頑火輝石球粒隕石是形成於火星軌道朝向太陽的區域，那裡一定是個缺乏塵埃的環境；球粒很少具有殼層或環圈，即使有環圈也很薄。普通球粒隕石和R球粒隕石，與太陽的距離遠於頑火輝石球粒隕石，呈現出較多有塵埃存在的特徵，例如，具有火成環圈的球粒比例，以及環圈的厚度，都比頑火輝石球粒隕石來得大。
有些碳質球粒隕石有著最大的球粒，且含有最多具第二殼層與火成環圈的球粒（分別是CR、CV和CK三類型），在它們所佔據的區域，塵埃濃度顯然達到最高，然後往另兩個距太陽較遠的類型（CM和CO）的位置慢慢減少，這些類型的隕石所含有的球粒小得多，含有第二殼層和火成環圈的比例也少很多。塵埃的總量繼續往最遙遠的碳質球粒隕石（CI）附近減少，這類隕石根本沒有球粒。（但它們還是球粒隕石，因為主要的分類標準是化學成份與太陽的非揮發性元素相似。）
這個星雲圖像中的塵埃分佈情形，令我推論，早期的太陽系可能與我們現在所觀測到的金牛座T型星類似，這類年輕恆星就像早期的太陽，還未進入穩定氫融合的主序階段。塵埃圖樣跟許多已知環繞在金牛座T型星周圍的原行星盤很像。因為這些特定圓盤的質量（約是太陽質量的2%），與太陽星雲盤面的推估質量接近，因此看來這些盤面提供了很好的模型，讓我們能了解星雲中形成球粒與組成球粒隕石的階段。
激烈的爭議
究竟是什麼樣的過程產生了球粒，仍然是未解的問題。任何關於球粒形成的模型，必須要先能解釋反覆熔融的現象。該模型必須能廣泛應用，但又不能導致每種球粒隕石類型都產生球粒。不幸的是，沒有具說服力的加熱機制可以說明所有球粒的特性。這麼多球粒有著多次熔融現象，因此排除了所有一次性的加熱事件，例如超新星爆炸的衝擊波或來自宇宙深處的γ射線爆發。熱源必須足以把某些球粒（包含直徑數毫米的）整顆熔化，但只能熔化其他球粒的外圍塵埃薄層，不能破壞內部。曾有研究人員提出，應是一個重複且具脈衝性的熱源，例如閃電，但是對於在太陽星雲中產生閃電的可能性，並沒有共識。
現在最為天文物理學家接受的球粒形成模型，是衝擊波加熱了星雲。衝擊波的形成，舉例來說，可能是星雲外的物質掉入星雲內部。衝擊波在含有塵埃的星雲內部傳遞時，產生的熱足以造成球粒熔化。然而，依賴衝擊波的模型有其缺陷。首先，在原行星盤中的衝擊波還有待觀察，它們的存在未經證實。其次，衝擊波會同時加熱大量的球粒，看來是無法只熔化個別球粒的外表（以形成第二殼層與火成環圈）而使球粒內部維持低溫。第三個明顯的缺陷則是，衝擊波是局部的現象，似乎不太可能大範圍地使星雲各區域產生球粒。球粒形成的主要機制依然是個謎團。
50年前，隕石專家伍德（John A. Wood）觀察到：「直到最近我們才開始研究球粒的實體。它們包含了豐富的資訊……可探究曾經作用在它們身上的過程。我們或許可以研究太陽星雲的性質與演化、行星的形成、太陽演化的某些階段，以及這所有過程的時間尺度。」半個世紀過去了，科學家仍然有許多有待學習之處，但是太陽系初生時這些信差所提供的圖像，終究會成為關注的焦點。
科學小視窗 ■ 動脈硬化不是文明病 4千前年就有
▌文／科科報編輯小組
動脈硬化常被認為是因抽菸、過度飲食、不運動等原因所造成的文明病，不過最新研究發現，4千年前的木乃伊就有動脈硬化的毛病，推論動脈硬化不見得是所謂的「文明病」。
根據法新社報導，刊登於醫學期刊《Lancet》的研究報告指出，在西元前2千年就存在的人類也有動脈硬化，似乎顯示動脈硬化是人類老化固有現象，不是因飲食或生活習慣引起。
但研究團隊也強調，已有多項研究顯示生活習慣和動脈硬化有關，雖然新研究認為所有人都有動脈硬化風險，但若應盡量避免不健康的生活習慣。
