地球晶體中可能保存了銀河旋臂的痕跡

周一 · 知古通今|周二 · 牧夫?qū)?/p>

周三 · 風(fēng)月同天|周四 · 觀測(cè)指南

周五 · 深空探測(cè)|周六 · 茶余星話|周日 · 天象預(yù)報(bào)

作者：Chris Kirkland & Phil Sutton, The Conversation

翻譯：賀玉影

校對(duì)：牧夫校對(duì)組

編排：陶邦惠

后臺(tái)：朱宸宇

https://www.sciencealert.com/signs-of-our-galaxys-arms-may-be-trapped-in-some-of-earths-crystals

銀河的旋臂 | 圖片來(lái)源：NASA/JPL-Caltech

如果問(wèn)，是什么塑造了地球，多數(shù)人大概會(huì)想到火山啦、地震啦、巨型的大陸數(shù)萬(wàn)數(shù)億年間緩慢地分開(kāi)或聚合啦，還有彗星的撞擊也挺重要的，看看布滿隕石坑的月亮！

但有沒(méi)有可能，地球的地質(zhì)史還被紀(jì)錄在遙遠(yuǎn)的星星上？尤其是，在銀河的旋臂中？這是個(gè)大膽的想法，最近有個(gè)研究把天體物理學(xué)聯(lián)合到地質(zhì)學(xué)，響應(yīng)了這個(gè)想法。

目前為止，這些具有爭(zhēng)議的想法都是建立在模型的基礎(chǔ)上的，地球地質(zhì)記錄的間斷和太陽(yáng)系銀河軌跡的不確定性限制了它們的研究。

但我們?cè)诒局馨l(fā)表于《物理評(píng)論研究》上的新研究，采用了另一種辦法。我們把銀河中氫的分布和地球上遠(yuǎn)古晶體的化學(xué)指紋做了對(duì)比，對(duì)比的結(jié)果支持這個(gè)觀點(diǎn)：地殼可能曾經(jīng)受到太陽(yáng)系繞行銀河系之旅的影響。

借氫來(lái)解讀銀河

天文學(xué)家常使用中性的氫，最簡(jiǎn)單的原子，僅包含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，來(lái)作為宇宙的標(biāo)記物。

這一原子氫會(huì)發(fā)射出波長(zhǎng)為21厘米的射電波，它能穿透銀河中常常遮擋我們視線的塵埃和氣體。這些輻射，來(lái)自氫密度高的區(qū)域，讓我們看到了銀河巨大的旋臂，用可見(jiàn)光的望遠(yuǎn)鏡可是看不到它們的。

銀河的旋臂并非實(shí)體，相反，它們是密度波（density waves）——就像恒星、氣體和塵埃的交通堵塞，它們以比單體恒星要慢的速度圍繞著銀河的星系盤(pán)運(yùn)行。

因?yàn)樘?yáng)系圍繞銀河系中心的速度比旋臂要快，所以它會(huì)周期性地趕超旋臂，差不多是每1.8到2億年一次吧。從旋臂中穿過(guò)會(huì)增加撞擊地球的彗星和小行星的數(shù)量。

鋯石晶體：微型時(shí)間膠囊

我們要怎樣確定地球真的遭受到了這些星系邂逅的后果呢？答案可能藏在鋯石里。

鋯石是一種堅(jiān)硬的礦物，在地殼中很常見(jiàn)，能存在數(shù)十億年。

鋯石晶體于巖漿中形成，像微型的時(shí)間膠囊。它們不光能測(cè)定年代，它們還攜帶了關(guān)于其生長(zhǎng)年代的地球的化學(xué)線索。

在這些晶體的內(nèi)部，氧原子以輕微不同的形式存在，它們被稱為同位素。同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)和不同的質(zhì)量。這些同位素像追蹤器一樣，可以顯示出巖漿是來(lái)自地球的深處還是曾經(jīng)接觸過(guò)地表水。

當(dāng)太陽(yáng)系繞銀行系運(yùn)行時(shí)，它穿過(guò)氫氣相對(duì)密集的旋臂。如果在氫原子密度高的時(shí)期，鋯石當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)異常多樣的同位素氧原子，那么這意味地殼在形成的階段，曾被某種事物擾亂過(guò)它原有的平衡。

將地球巖石與銀河系地圖相配

這次的新研究直接比較了鋯石同位素記錄和太陽(yáng)系銀河軌道的射電頻率測(cè)定氫密度。結(jié)果是？令人震驚的強(qiáng)相關(guān)。

太陽(yáng)系穿越旋臂的時(shí)間段（旋臂內(nèi)氫密度更高）恰好匹配了鋯石中氧的同位素變異性的激增。

換句話說(shuō)，當(dāng)?shù)厍蛏钕荨般y河開(kāi)天地”的造星旋臂時(shí)*，地殼好像也正處在“混沌初開(kāi)”的狀態(tài)呢。

*旋臂是主要的恒星形成區(qū)域，故作者描述為“造星”（star-forming）。

這是一張銀河系旋臂的圖片。當(dāng)太陽(yáng)系穿越銀河系的旋臂時(shí)，撞擊地球的彗星和小行星數(shù)量可能會(huì)增加 | 圖片來(lái)源：NASA/JPL-Caltech/R. Hurt

地殼上的銀河指紋

怎么解釋這個(gè)關(guān)聯(lián)呢？

一種觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)太陽(yáng)系穿過(guò)旋臂時(shí)，可能會(huì)擾動(dòng)遙遠(yuǎn)的冰凍區(qū)域——奧爾特云。它是一個(gè)巨大的彗星庫(kù)，比冥王星還要遠(yuǎn)。這樣，一些彗星可能會(huì)朝著地球沖過(guò)來(lái)。

克里斯·柯克蘭使用離子微探針檢測(cè)鋯石礦物顆粒的年代 | 圖片來(lái)源：C.L.柯克蘭

每次撞擊都會(huì)產(chǎn)生巨大的能量——足以融化巖石，造成地質(zhì)上的巨變，在地殼上留下長(zhǎng)久的標(biāo)志。

關(guān)鍵在于，這一紀(jì)錄可保留數(shù)十億年，比地球上尚存的撞擊坑要長(zhǎng)久得多。撞擊坑常常因?yàn)榍治g或板塊漂移而消失不見(jiàn)。

因此，鋯石也許可以提供一個(gè)深時(shí)*的檔案庫(kù)，記錄我們無(wú)法直接靠天文觀測(cè)來(lái)觀察到的星系影響。

*深時(shí)（deep-time）是地質(zhì)時(shí)間的概念，其跨度達(dá)數(shù)十億年，最初于18世紀(jì)作為科學(xué)思想提出，20世紀(jì)經(jīng)約翰·麥克菲等作家推廣普及，其影響已延伸至地質(zhì)學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)、氣候科學(xué)、哲學(xué)、教育學(xué)及環(huán)境倫理學(xué)等多元領(lǐng)域。

宇宙的聯(lián)結(jié)

如果地球的地質(zhì)的確和銀河的節(jié)奏相呼應(yīng)，那我們對(duì)行星演化的認(rèn)識(shí)又得到了拓展。它告訴我們，要全面理解地球，我們得超過(guò)地球本身，去看到銀河的廣闊構(gòu)造，它周期性地重塑了我們太陽(yáng)系的環(huán)境。

辨認(rèn)行星地質(zhì)當(dāng)中的天體物理指紋能給我們提供地殼發(fā)展、宜居性、甚至生命起源的新線索。當(dāng)然了，要保持警覺(jué)，關(guān)聯(lián)性并不總是意味著因果關(guān)系，而且分清穿越銀河旋臂導(dǎo)致的結(jié)果和地球本身進(jìn)化的過(guò)程也很困難。但眼前的證據(jù)說(shuō)服力很強(qiáng)，足以令人正視。目前，鋯石晶體，這種比一粒沙還要小的微型顆粒，正幫助著我們窺視地球和宇宙之間的聯(lián)系。

克里斯·柯克蘭（澳大利亞科廷大學(xué)地質(zhì)年代學(xué)教授）與菲爾·薩頓（英國(guó)林肯大學(xué)天體物理學(xué)高級(jí)講師）

責(zé)任編輯：郭皓存

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

微信公眾號(hào)：astronomycn

韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的棒旋星系NGC 1365

圖片來(lái)源：NASA, ESA, CSA, Janice Lee (NOIRLab)

處理：Alyssa Pagan (STScI)

謝謝閱讀