太阳系并非总是像我们今天看到的这样，是一系列平静旋转的天体。在其最早期，迷你行星在太阳周围蜂拥而至，在灾难性的碰撞中混合在一起。这场宇宙台球游戏如此猛烈，以至于像地球和火星这样的行星在其生命早期，几乎完全是由光滑混合岩石组成的液态物质。或者，许多研究人员一直这样认为。
现在，对两块古老的火星地壳的仔细审查，使一个研究团队得出结论，这颗红色星球的形成方式可能有所不同。他们本周发表在《自然地球科学》杂志上的地球化学侦探工作表明，在这颗行星的岩石外壳下方，存在两种类型的火星物质——这些是形成火星的原始行星混合在一起时未混合的遗迹。研究人员通过水的痕迹区分了这两种物质，这也使最初关于像地球和火星这样的岩石行星是如何变湿的普遍理论变得复杂化。
“我们甚至没打算测试这一切，”亚利桑那大学的宇宙化学家 杰西卡·巴恩斯说。“但正是我们在地壳上得到的结果，让我们不得不回去研究这个假设。”
该团队意外地发现，这颗行星形成的故事仍然可以从其最微小原子（氢）的分布中读出来。大多数氢原子很轻，只含有一个质子。但偶尔它们会“超重”，带有一个质子和一个中子。这些粒子被称为氘，但它们基本上只是重氢原子。研究人员可以通过测量重同位素与普通轻同位素的比例来研究行星不同部分的形成历史。
例如，火星大气层似乎含有相对较高比例的重物质，因为数十亿年来，普通氢更容易逃逸到太空中。一些研究人员曾怀疑地表岩石以同样的方式散失了一些轻氢，但少数落到地球上的火星岩石并未给出任何明确答案。“火星陨石长期以来一直是个谜，”巴恩斯说，“因为它们的测量结果非常分散。”
起初，该团队打算研究地壳是否像大气层一样损失了轻氢。为此，他们分析了两个独特的陨石，这些陨石是由古代撞击抛入太空，然后坠落到地球上的。其中一个陨石因其深色而被昵称为“黑美人”，它是多种地壳岩石的混合物，有些可以追溯到 44 亿年前（火星大约有 46 亿年的历史）。另一个陨石大约有 40 亿年的历史。两者都显示出在形成到现代之间至少湿润过一次的迹象。考虑到它们的年龄和这些湿润事件，巴恩斯说，我们“仅凭两个样本就掌握了火星历史相当大的一部分。”
当他们重建这段历史时，团队发现了一个令人费解的现象：火星地壳中两种氢形式的相对含量似乎在漫长的岁月中保持不变，这与大气层不同。
但随后他们更仔细地考虑了外来地壳的作用。地球大陆之间持续不断的研磨作用不断地将水（和氢）从空气中吸走并掩埋起来，而火星（几乎处于休眠状态）的地壳则固定不动——这是行星内部的结晶。为了弄清楚其异常的氢含量意味着什么，团队必须深入挖掘。
他们深入研究了科学文献，寻找来自地壳下方地幔（构成行星主体的大部分，更像熔岩的层）的火星岩石样本的氢测量数据。他们重点关注熔岩石，这些岩石根据其组成（元素组成）分为两类，这表明它们来自火星地幔中的两个不同位置。
这两组深层岩石在所含氢同位素的比例上也存在差异。当研究人员模拟这两种岩石如何融合形成地壳时，他们发现了一种中间氢比例，与他们早期在两个陨石中测得的值相似。
换句话说，这两种证据表明，在火星深处存在着两种不同的岩石类型，它们是从形成火星的原始小行星上遗留下来的，就像一杯混合不均匀的冰沙。如果年轻的火星足够炽热，能够完全熔化到其核心，就像一些理论所暗示的那样，这些岩石类型就会彻底混合，而今天就不会留下不同构成成分的痕迹。
由于氢与氧结合形成水，新结果还暗示这颗红色星球的适度湿润性具有多种起源。一种普遍的理论认为，像地球和火星这样的岩石行星的水大部分来自一种称为碳质球粒陨石的特定类型陨石。但是富含水的碳质球粒陨石倾向于具有相似比例的两种氢，这与火星内部的双重性质相矛盾。
“碳质球粒陨石对（水的输送）当然很重要，”巴恩斯说，“但也许它们并不是全部故事。”
接下来，她的一些同事将致力于开发火星早期历史的模拟模型，以确定混合熔融可能达到的深度。此类模型可能有助于弄清楚太阳系所有岩石行星是如何形成的。与此同时，巴恩斯计划研究更广泛的火星岩石，以使新理论更加坚实。
“我们将继续分析新样本和分析其他陨石，”她说。“还有很多工作要做。”
