飞碟探索

我们为什么要探索彗星

2014-09-04 飞碟探索

烦死科普小白文的人，就点蓝色的“飞碟探索”关注我，等待纯粹科学的轰炸吧！

某些星系星尘之前的物质会被彗星保留下来，找到它们，我们就能找到星系形成拼图上的关键部分。

一直以来，太阳系的形成都是天文学家欲解的谜题。不管是透过望远镜观测其他恒星形成区域、透过动力学模型来模拟太阳系与行星的形成，还是对某些陨石的研究，都是想要了解太阳系的起源。

先从前太阳系颗粒（presolar grains）的研究谈起。

什么是前太阳系颗粒？就是太阳系形成之前的粒子，翻成白话讲则是“老于太阳系的颗粒”。怎么知道这些颗粒老于太阳系呢？这些颗粒又有什么重要的地方？其实它们本身就是别的星星（会发光的恒星）所产生的尘埃！

星星在演化的过程中，会透过恒星风或爆炸的方式将本身物质释放到星际空间，这些高热的物质一开始以气体的形式存在，冷却之后就会凝结成直径大约只有数微米或更小的小颗粒；当这些颗粒不小心跑进了正在形成的太阳系，有些被早期太阳系的高温给毁了，有些则运气很好地躲掉了这些高温事件而被小行星保存了下来。某天，小行星的碎片作为陨石掉到了地球上。科学家把它拿到实验室，用各种物理、化学的方法将这些小颗粒分离出来，进行各种分析。这些颗粒是星星产生的，因此，这些颗粒中的每个原子都是从母星球“继承”下来的。透过这些尘埃，科学家们便可以在实验室内了解星球内部的元素演化过程。

您可能会好奇，这些颗粒那么小，要怎么知道它们是太阳系的还是外星的产物？这时候同位素分析就派上用场了。一般来说，太阳系物体内的同位素成分算是相当的平均的。也就是说，我们量测地球上的碳同位素比值（12C∕13C），所得到的结果一定会很接近太阳系的平均值89，最多大概也只会有千分之几的差异；但前太阳系颗粒的碳同位素比值却与太阳系的平均值89有极大的差异，因此认定这些颗粒未曾参与太阳系形成之初的混合作用。

这些老于太阳系的颗粒里面的原子，是由别的星球本身元素形成的产物，所以会和太阳系内的平均同位素比值相差甚大，以碳同位素为例，目前已发现的碳化硅（SiC）和石墨颗粒中，其碳同位素比值的分布可以从3 到10 万！这些实验室所产生的数值，配合上天文观测与理论计算，提供了天文学家一个相当好的管道去了解遥远星球内部的化学演化。

那从这些老于太阳系的颗粒中，我们除了可以回推这些颗粒的来源外，还可学到什么呢？大家都知道，宇宙中的各种元素是由星星透过核融合或是爆炸所产生的。虽然从1957 年的第一篇元素形成论文开始，至今已有数不尽的理论模型问世，百家争鸣，好不热闹。但是这么多工作累积起来，可能也无法完全描述与理解大自然的神秘，更无法去验证模型的真确性。这些小颗粒适时的在这一块缺口中补上一角，让科学家们可以在实验室中，以较天文观测精密的测量方式，提供遥远恒星内部元素形成的数据。除此之外，这些小颗粒还可以提供科学家们古老银河系化学演化、银河系的年龄、星球周边尘埃盘的形成和最早期的太阳系天文物理环境的信息。在此限于主题与篇幅便不多谈。

回到太阳系起源的研究在太阳系中，有八大行星和一堆小型天体；前四颗类地行星，每一个都已经受过或长或短的分异过程与地质作用，现今之结构与组成已经和形成之初大异其趣。对于要了解太阳系的起源，帮助不太大。后四颗类木行星，虽然一般相信它们形成的时间极早，但由于绝大部份是氢气，氦气及一些气体分子所组成，标本收集有相当程度的困难，多以宇宙飞船探测任务为主，不仅耗时且所费不赀；再加上这些气体星球不能完全反应太阳系最初期成份，所以我们需要固体。

加州大学洛杉矶分校的麦克基甘教授说的好：固体会记录而气体不会。因此现今普遍的宇宙化学研究，多是利用陨石中的同位素与矿物组成，试着了解太阳系形成时，周遭的天文物理环境与太阳星云的化学组成。只是陨石大多来自于小行星，而小行星本体也或多或少受到了一些后期的变质作用，如撞击，水与热作用等等。造成一些最原始的同位素讯号或矿物受到了不同程度的改变。也因此，即使是所谓最原始的陨石，在某种程度上仍然不够原始，这由陨石中稀有气体相对于太阳的丰度较低的例子可以为证。

脑筋动到彗星上

既然陨石没有办法完完全全的反应太阳星云最原始的化学成份，那我们还有什么方法可以试着了解这个问题呢？科学家脑筋于是动到彗星身上。

天文学家普遍认为彗星也是太阳系最初期的产物，很可能跟陨石一样记录了太阳系最初的成份；更重要的，彗星被保存在极冷的地方，从彗星离子尾光谱中的分析得知，其相当程度的保留了有机物与挥发物质，所以我们多半相信，彗星所留下来的讯号应该会比陨石更完整，更接近真实。同时彗星内部更有可能保存大量的老于太阳系的颗粒。也因为如此，“星尘”号任务在90 年代中期，由华盛顿大学天文系布朗李教授（Donald Brownlee）主导之下，开始了整体的计划与进展。在1999 年的2 月发射升空， 2004 年1 月穿过了“威德二号”彗星（Wild-2）的尾巴收集尘埃，并在2006年的1月返回地球表面，完成了这一段旅程。

或许有人会问，我们了解彗星有什么好处？除了刚刚上面讲的，试着去追溯太阳系最原始的成份，了解太阳系的起源，及寻找老于太阳系的颗粒之外，还有那些问题是可以藉由彗星尘提供一些线索的： 一、行星际空间颗粒（Interplanetary Dust Particles）与彗星尘的关系？二、地球上的水是彗星带来的吗？三、生命的起源与彗星的关系？

选定目标

各位也可能会觉得好奇，彗星一大把在天上，为什么“星尘”号不去别的彗星而要去威德二号呢？其实很简单，有三个主要原因：天时，地利与人和。天时与地利指的是，这颗彗星会在适当的时间出现在适当的地点，让科学家们可以较容易的设计收集尘埃时的宇宙飞船路径与速度。为什么这很重要？各位可以想象，若在和宇宙飞船遭遇时的相对速度太大，尘埃就会直接穿过收集器而带不回地球了。因此，“星尘”号几乎是追着彗星的尾巴，从后面以每秒六公里的速度，将尘埃“抓进”气凝胶当中。

那人和又是什么呢？大家都知道，当彗星跑进内太阳系受到太阳加热后，挥发物质就会因为高温而逸失；经过多次循环后（>1000 次），彗星最后就不再会有彗尾了。像哈雷彗星，它从第一次被发现到1986年，总共已经进来大约一百次。它的原始成份已受了相当大的改变而不再“新鲜”了。所以，它已无法还原太阳系最原始的成份。而威德二号彗星，在1974 年之前都是属于木星族彗星（Jovian comet ，指近日点在木星轨道附近），之后受木星重力扰动而改变了它的轨道，近日点内移到火星附近；至今进入内太阳系约五次。也因此这颗彗星从没有真正的过度靠近太阳而被大量的挥发，其化学组成仍是相对的原始。这对于我们所期待的研究，真是再理想也不过的目标。

如何收集——气凝胶的妙用

虽然“星尘”号追在威德二号彗星的尾巴后面，藉此减缓相互之间的相对速度，但“星尘”号仍承受着将近6倍步枪子弹速度微粒的冲击。如果采用强硬手段直接将微尘挡住，那么微尘将因高速的动能转化为热而将自身蒸发掉，致使该颗粒改变了外形及化学成份。此时气凝胶的妙用就出现了。

气凝胶是一种以硅为主的固体，结构像海绵一样具有微米等级的多孔性，其中99.8 ％的体积是空的。因此它的密度比玻璃轻1000 倍，同时还具有极低的导热性及强度颇高的支撑性。当微粒撞上气凝胶时，借着连续性的撞击破坏气凝胶，因而制造出比自身长度长200倍的一条类似红萝卜形状的破坏轨道。因此热能被分散在此破坏轨道中，达到减速微粒且不破坏其外形及化学成份的目的。此破坏轨道还有项好处，它明确的指示出微尘停下的位置。否则要在直径约50 公分大小的收集器内寻找微米大小的颗粒还真是一件困难的工作。

气凝胶被安置在网球拍形状的收集器上，因为具有双面收集微尘的能力，科学家除了利用正面收集彗星微尘外，更利用“星尘”号在飞行旅途中以反面收集行星际空间的颗粒。由于颗粒都被埋在气凝胶内，如何分辨何者为彗星微尘，何者为行星际空间的颗粒？解决的方法乃利用破坏轨道行成红萝卜形状的路径，因为具有方向性所以可以轻易分辨出来。

跌破专家眼镜的大发现

就在“星尘”号安然回到地球的两天后，收集标本的大铁罐在约翰逊太空中心的无尘室被打开，开始作最初期的状况确认。加州大学洛杉矶分校的麦克基甘教授在现场时的转述，他说：“这是非常完美的成功！有些彗星尘划过的轨迹可以用肉眼清楚看到，并且收集到的东西似乎比大家原先预想的要来的多且大。当然，这只是非常非常初步的肉眼确认，我们真正会发现什么，仍要等待初步检验团队（Preliminary Examination Team,PET）的结果。PET至少需要半年的时间才能完成初步的彗星矿物学分析、氧氮同位素分析、化学组成分析，及红外光谱学的分析等等。然后我们才能初步的知道这些标本所带来的信息”。

首先是矿物学方面。最重要的发现之一为“星尘”号所收集到的微尘中居然出现高温环境下形成的矿物（形成温度约凯氏温度1300~1400度上下），比如说橄榄石、陨氮钛石、辉石与我们在陨石的钙铝包裹体中找到的高温矿物一样。这些东西，让研究太阳系化学的科学家们着实吓了一大跳。彗星不是在40 天文单位（AU）之外形成的天体吗？在这么冷的环境中，应该多以挥发性物质或是低温物质为主，为什么会有在高温下才能形成的矿物存在？小行星和彗星，一个大约在3AU，另一个在40AU以外，为什么某些彗星尘的矿物组成跟陨石中的钙铝包裹体类似？若在这么大的空间范围内，找到组成相似的高温矿物，这似乎代表的是，在太阳系早期必须要有大尺度辐射状输送物质的能力，其转移范围从内太阳系到小行星带，甚至到外太阳系，才有可能办到。那这个大尺度辐射状输送物质的能力的物理背景是什么？为什么可以把小颗粒从内太阳系高温处搬到3AU 甚至更远的40AU 以外？

再来是同位素分析方面。PET 的同位素小组，分析了彗星尘中，氢、碳、氮与氧同位素的组成。这些分析，试图回答下面的几个问题。第一，彗星是不是主要由老于太阳系的物质组成的？第二，彗星中有多少真正的“星尘”（真正从演化后期的恒星中所形成的）？第三，彗星微尘中的同位素组成，和陨石、行星际空间微粒的关系又是什么？第四，早期太阳系中的混合作用究竟到什么程度？

首先是氢同位素方面，被分析的彗星微尘中，基本上没有太令人印象深刻的成份，其D/H（氘∕氢比值） 落在已知的行星际微尘的D/H 范围内，类似彗星水分子中的同位素成份，但低于彗星中氰化氢（HCN）的同位素值，更远较最极端的行星际空间颗粒的比值低上许多。当然， D/H 很容易受到各种不同因素的影响，尤其是这些灰尘是透过撞击而被气凝胶抓住，在这个过程中，D/H极有可能产生变化。所以，这些量测到的D/H 可能无法反应威德二号彗星的水分子的同位素成份。

再来是碳与氮同位素，这两种同位素的量测，主要是要来找寻老于太阳系的颗粒。这些颗粒，由于是在星球中凝结下来，所以基本上它们保存了原先星球中，元素形成的特征。而这些特征和太阳系的平均值相差甚大。以碳同位素来说，太阳系物质的12C ∕ 13C 平均比值是约89 ，若今天发现了一颗微粒，它的12C ∕ 13C 比值约是52 ，那我们可以很笃定的说，这颗微粒绝非在太阳系内形成的颗粒，而是一颗从某个AGB 星球或是红巨星来的小尘埃！氮同位素也是同样的道理，只是平均太阳系的比值大约是300上下。所以，若我们发现一颗灰尘，其14N∕13N的比值离300有极大的差距，那我们也可以很肯定，这颗颗粒一定不是太阳系内产生的。

知道了这个前提，我们再回到“星尘”号的标本上。分析的结果也是让大家惊讶莫名，PET阶段分析气凝胶中的微尘，居然没有一颗是老于太阳系的颗粒！幸好，在收集器上的用铝箔纸包裹住的部份中，在某个撞击坑洞旁边找到了一颗老于太阳系的颗粒，可惜的是，这颗小家伙已被分析光光了，尸骨无存。从这个初步分析，显示在彗星中（至少是威德二号这颗） 似乎没有太多老于太阳系的颗粒。但这只是第一步。后续尚有许多标本等待研究，或许会有更多惊奇也说不定。

此外PET 团队还有一项重大的发现，他们在气凝胶及支撑框住气凝胶的铝芯中发现了氨基乙酸。一开始研究团队无法排除此氨基乙酸可能来自地球上的污染的想法。此时同位素的功用又出现了，经过进一步的研究他们发现该氨基乙酸的碳具有较多的13C，也就是说其12C∕13C的比值比89 小很多，因此证实此氨基乙酸非太阳系内部的产物。由于笔者对生命科学的涉略不多，因此借用下面两位专家的发言，来为这项大发现做脚注。

美国航空航天局的艾西拉博士说︰“氨基乙酸是具有生命的有机体制造蛋白质的物质之一，同时这是第一次在彗星上找到氨基酸”；“我们的发现支持生命的成份在太空间形成，并借由陨石和彗星的冲击而传播到地球的理论”。同时美国航空航天局 的主任皮契尔博士说︰“氨基乙酸在彗星的发现支持了组成生命的基本架构在太空中是随处可见的想法，并且强化了在宇宙中生命的存在也许是共通的而不是罕见的论述”。

最后是氧同位素。氧是类地行星中最丰富的元素。而每个类地行星（含小行星）的平均氧同位素值都有些微的差异，所以氧同位素基本上可拿来当作这些行星的指纹。但是若把规模放到只有几个毫米大小，我们会发现，在陨石的钙铝包裹体中，不同矿物居然有着不同的异常丰度，彼此间的差异可达到5％！如果是老于太阳系的颗粒，氧同位素的差异甚至可以达到好几个数量级。“星尘”号部分微尘在经过初步分析后，具有陨石钙铝包裹体类似的矿物组合，同时居然和钙铝包裹体有相同的氧同位素成份！这下子不只矿物组成相似，连氧同位素都完全一模一样。这更加让我们相信，彗星中的某些小微尘，是和陨石中的某些矿物颗粒是完全相同的。所以，这和前面所写的相呼应，在太阳系早期势必要有大尺度辐射状输送物质的能力，从内太阳系到小行星带再到库伯带以外，这一连串的巧合才有可能发生。

这些发现，最感到振奋的应该是台湾清华大学校长徐暇生，“中研院”李太枫院士，及“中研院”副研究员尚贤博士。他们在1998 年提出的X-wind 模型，已预测彗星上的物质有可能在矿物相上与同位素比值上的特点与陨石中的部份物质相符。模型中这些高温颗粒形成在吸积盘的端点，非常靠近原始太阳约0.05AU 距离的地方，后来太阳磁场与吸积盘面的交互作用，产生了两极喷流和盘面上一股强力的“风”，将这些高温矿物带离到小行星带甚至更远的库伯带，再和其他物质堆积形成小行星或是彗星。

其实，以上所说，都只是“星尘”号相当初步的一个结果。还有很多尚未被探索的颗粒等待科学家们去了解，不管是矿物学，光谱学，同位素分析，还是其他各种各样稀奇的方法。在可预期的将来，这些彗星尘仍会继续送到世界各地的实验室进行各项研究。在台湾，李太枫院士所领导的团队，也正在为分析这些标本而磨刀霍霍。希望在不久的将来，台湾也能够在这个前无古人的实验室彗星尘分析竞赛中打响知名度；也希望到时候我们将能够回答上面所列出的数个问题，让我们对太阳系起源有更深一层的了解。

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