烘烤陨石尘埃可模拟外星大气层 | 流行科学

45亿年前的地球大气层是什么样的？这是一个很难回答的问题。那时，地球几乎算不上行星，更像是一团翻滚的岩石混合物。当生命最终出现时，它喷发出氧气，不可逆转地改变了我们现在称为空气的气体混合物。

但随着太阳系外行星（系外行星）的研究蓬勃发展，这个问题变得越来越紧迫。目前的天文望远镜可以探测到比我们自身更大、更热的行星的大气层，而下一代望远镜很快就能将类地行星模糊的轮廓聚焦。

为了弄清楚这些行星是由什么组成的，它们是否含有水，甚至是否孕育了生命，研究人员需要能够将它们的气态剪影与它们的“骨骼”——岩石和矿物质——联系起来。

地球的天气、生命和板块构造已经使形成我们世界的原始物质面目全非。但逃脱金星、火星和地球混乱形成的原始物质的残余物，以小行星的形式得以保存。现在，一个研究团队粉碎、烘烤并分析了一小撮来自这些原始物质的样本，以捕捉到其他方式无法收集到的气体的气息。

加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家玛姬·汤普森（Maggie Thompson）说：“它们确实是你手中唯一可以直接拿来在地球实验室研究的样本，从而试图了解早期地球或其他类地行星的大气层可能由什么组成。”

如何制造大气层

对于像木星和土星这样的气态巨行星来说，持久的大气层很容易形成。它们只需凭借其巨大的引力就能吸附周围的一切——通常是氢和氦。

岩石的类地行星则自己制造空气。这类世界是由数十到数百英里宽的巨型小行星组成的旋转云团形成的。聚拢的太空巨石相互碰撞并加热到数千摄氏度。烈焰会蒸发岩石中冻结的物质，这些气体就成了行星的初始大气层。

研究人员早就意识到，小行星作为地球形成物质的样本，是理解我们行星起源的关键。但它们距离遥远且难以到达，因此行星科学家转而研究那些已经进入太阳系内部并落到地球上的小行星残骸：陨石。

[相关：观看OSIRIS-REx探测器抓取小行星碎块的直播]

汤普森说：“它们确实是我们太阳系中行星留下的‘乐高积木’。它们来到我们这里，真是太幸运了。”

陨石狂热

早期试图弄清楚年轻地球大气层构成的工作，使用了模型。现在是斯坦福大学行星科学家劳拉·谢弗（Laura Schaefer）在2010年领导了一项此类研究。她已经知道了被认为与行星形成有关的主要陨石类别中发现了哪些矿物质和元素。因此，她利用化学方法预测了这些物质在加热时会释放出什么气体。

她发现，水和二氧化碳是早期大气层的主要成分，同时还含有少量不太常见的气体，包括硫和碳的某些类型。这是一个合理的结果，但它基于理想条件和纯净物质。

几年后，汤普森和她的导师、加州大学圣克鲁兹分校的行星科学副教授米里亚姆·特鲁斯（Myriam Telus）联系了谢弗。他们计划将这位斯坦福大学科学家的模拟变成现实，通过在烤箱中烘烤真正的陨石碎片，看看会释放出什么气体。

其他研究人员以前也加热过陨石，但他们通常是出于其他需要不同实验技术的研究目的。没有人曾经使用这些太空岩石来“烹饪”出地球原始大气层的版本。谢弗接受了这个提议。

她说：“对于任何模型师来说，有人能站出来用真实数据来检验他们的模型，这都是一个梦想。”

用陨石烘烤

特鲁斯利用她在陨石界的良好人脉，从三块陨石中获得了几“葡萄干”大小的材料，其中一块陨石在2019年刚刚坠落到地球，当时它砸穿了哥斯达黎加一处狗屋的屋顶。

汤普森将陨石的刨花磨碎，然后放进烤箱，在那里她模拟了45亿年前这些粉末状岩石如果帮助形成了地球时所经历的条件。她将其加热到近2200华氏度（1200摄氏度），在接近真空的环境中，压力比海平面低一亿倍。然后，一种用于检测微量气体污染的灵敏仪器对释放出来的气体进行了嗅探。

[相关：这颗遥远的星球与地球很相似，但你不想住在那里]

这些炽热的陨石粉末释放出的原始大气层，约66%是水蒸气，18%是一氧化碳，15%是二氧化碳，以及少量的氢气、硫化氢和其他几种气体。这与谢弗的预测基本一致，但也存在一些差异，比如含有的硫化物气体更多。“这是我们仍在研究的问题，”参与分析结果的谢弗说。研究人员于上周四在《自然-天文》杂志上公布了他们的研究结果。

圣克鲁兹小组仍有大约80%的陨石材料剩余，因此他们计划继续他们的烘烤实验。接下来，他们希望微调气体传感器，以检测更稀有的气体（一次只能嗅出十种）。他们还想尝试更换配料，用不同类别的陨石来“烹饪”，看看这些岩石会产生什么样的气氛。