小石头引起的大麻烦

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本文作者:Colin Stuart
                    从20世纪80年代中期以来，马克·哈里森（Mark Harrison）在澳大利亚采集了20万块岩石样本，但其中只有一块含有他一直在寻找的东西——两个石墨斑点，每一个的大小还赶不上一个红细胞。或许确实小了点儿，却能够推翻对于地球上的生命我们所知道的一切。
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哈里森是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的地质学家，他记得当时自己心里是这么嘀咕的——“天哪，它们和因生物起源的太像了！”生物起源意味着是由生命制造出来的，但这是如何做到的呢？这些石墨斑点是在一块锆石晶体中被发现的，而这块锆石则在西澳大利亚的杰克山深处被埋藏了41亿年。因此，它们似乎是在暗示，我们地球的宜居性比此前任何人想象的都至少提前了3亿年。

小石头引起的大麻烦

美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的地质学家马克·哈里森。他在一块锆石晶体中发现的石墨斑点似乎暗示，地球的宜居性比此前预期的提前了3亿年。版权：Reed Hutchinson/UCLA
( ~% r4 G' y5 z- s' L更重要的是，这些首批生物体存在的时间比地球能承载任何生命的时间还要更早。人们认为，在如此早期的时代，地球是由熔岩覆盖的炼狱，并且还遭受到小天体的猛烈轰击。如果哈里森的化石所暗示的是真实的，它们不仅会改写生命和地球的历史，甚至还会改写整个太阳系的历史。
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0 y( Q7 @+ Y6 N+ c& h$ }在解释所有这一切是如何开始的时候，科学家认为现有的理论或多或少是奏效的。大约46亿年前，在一个不起眼星系的某一个角落，一个巨大的尘埃和气体云开始坍缩成一个稠密的物质球。随着它吸引越来越多周围的物质，其核心处的温度和压强也在不断升高，直到核聚变被点燃。这会释放出大量的能量，这一刻也标志着我们的太阳成为了一颗恒星。

当新生恒星逐渐开始自转时，围绕它公转的小天体开始碰撞凝聚到一起。在距离太阳较近的地方，大量的水冰因热量而被蒸发，只留下了金属化合物来形成较小的岩质行星。在更远的地方，较低的温度使得由冰和气体构成的巨行星得以形成。所有这些天体都几乎位于同一个平面内，并且以近圆形轨道运动。
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2 C5 ]7 _. |5 B' h, [7 {虽然整个图像很漂亮，但是随着对细节的进一步深入，它的不完整性就越发明显。一方面，它很难解释特洛伊小行星的数量和分布，有数千个这样的小天体就尾随在木星的轨道之后。另一方面，位于海王星之外且冥王星就位于其中的柯伊伯带也同样难以自圆其说——与经典的图像相比，有许多柯伊伯带天体相对于行星的轨道平面有着很大的倾角。然而，最令人费解的，也许是远古时期的狂轰滥炸在月球上留下的印迹。由阿波罗宇航员带回地球的岩石表明，月球表面遍布的环形山是发生在39亿年前的一次旷日持久的轰击的结果，这是经典模型难以解释的。
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2005年，有科学家对此给出了一个解释，称为尼斯模型，得名于提出该模型的天文学家所在的法国城市。它对经典的图像做了细化，提出太阳系中的4颗巨行星起初要远比现在更靠近彼此。这种结构是不稳定的，会引发持续数百万年的引力角力。在此期间，巨行星会迁移到它们目前所在的位置，由此会扰乱数以百万计的小天体，使得它们在早期的太阳系中横冲直撞。在木星引力的影响下，许多小天体成为了尾随木星的特洛伊小行星，而其他的则定居到了太阳系的外部区域，成为了具有高轨道倾角的柯伊伯带天体。
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  Z; I9 {9 k( A) E: x8 C与此同时，位于火星和木星之间的小行星则从它们的轨道上脱离，其中很多会与太阳系最内层的行星发生碰撞。这一剧烈活动的时期被称为晚期大规模轰击，它在月球上留下了密密麻麻的环形山，并重创了正在早期发育阶段的地球。
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地质学家马克·哈里森在锆石晶体中发现石墨斑点的显微图像。版权：Stanford/UCLA
5 z; Q, ]5 C& ?& B由这一时期留存到现在的少量岩石告诉我们，早期的地球如同炼狱，被火山喷发出的熔岩所覆盖。晚期大规模轰击持续了几亿年，使得地球一直处于被称为冥古代的极端地质时期。在如此恶劣的环境下是无法存在生命的。事实上，第一批由生物所产生的碳可以追溯到约38亿年前，与地球终于迈入平和时期以及与来自外太阳系的轰击放慢的时期相一致。

/ ^0 M. f8 a3 Z( p3 A- O: ?因此，如果让哈里森为之兴奋的石墨斑点确实属实，那么它不仅会是地球上已知最古老生命形式的证据，也会是这些生命出现在一个不可能年代的佐证。这里的关键就是岩石样本内同位素碳13和碳12的比例。根据当今的这个碳同位素比值，可以判断出它具有生物学起源。
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当然，也有人告诫，不要过快地下结论。毕竟，这只是由一块锆石得出的。不过，这块锆石也为寻找更多的样本进而确定生命出现的确切时间奠定了基础。
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% A- u7 e4 O# @2 M. X% h无论有没有生命，这一来自杰克山的最新证据表明，地球环境极端恶劣的幼年时期要比天文学家曾经认为的更为短暂。早在1999年，地质学家在这一地区发现的其他锆石就显示，早在44亿年前地球表面的部分区域就已冷却固化。更重要的是，对岩石含氧量的测量表明，地球的温度已经下降到足以维持液态水的程度。
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9 z4 q2 Q8 }/ @' }2013年，又出现了其他与地球和太阳系形成和演化经典模型有出入的证据，当时科学家正在分析另一块地球上最古老的岩石——它来自于地球另一端的格陵兰岛。结果表明，早在41亿年之前，地球上就含有了数量可观的金和铂，而此前人们认为这些金属是由之后的晚期大规模轰击带到地球上的。
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然而，更大的危机出现在2015年，当时天文学家公布了他们对太阳系形成的最新模拟结果。他们的发现似乎敲响了尼斯模型的丧钟。在85%的情况下，内太阳系中岩质行星的个数少于目前我们观测到的4个。在大多数情况下，水星都不会形成。只有1%情况他们能得到一个看上去与我们太阳系相似的行星系统。这并不是第一次尼斯模型因为遇到问题而作出修改，但这一次似乎已经不再是小修小补这么简单。得到外太阳系的结构和维持内太阳系的行星，似乎是不可兼得的事情。
失踪行星的秘密
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你是不是曾经有过总是少了点什么的感觉？研究太阳系的天文学家也有同感。对太阳系演化的最佳解释似乎总是在暗示，在外太阳系中不应该只有4颗巨行星，而是有5颗。

2011年，计算机模拟表明??，如果缺少了第5颗神秘的行星，太阳系早期的强引力相互作用将必然会导致灾难性的后果。随着4颗巨行星慢慢迁移进入它们当前的位置，它们会扰动内太阳系天体，使得太阳系几乎不可能演化出现在的样子。

/ d1 I/ M3 o2 h5 W但当有5颗巨行星参与这一角力之后，迁移就会快速进行，可以确保最内层的岩质行星几乎安然无恙。更重要的是，这“五巨头”之一会被散射到太阳系的最边缘，只留下今天我们所能看到的4颗外太阳系巨行星。
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那么，这位岩质行星的守护天使最终去了哪里呢？其实，围绕着“第9行星”的怀疑一直暗流涌动，2016年初有天文学家声称发现了它。有着600倍于地球的轨道半径，这个“第9行星”的候选体至少需要10 000年才能绕太阳公转一周，这使之成为我们的太阳系中最遥远的天体之一。根据冥王星轨道之外数个柯伊伯带天体的反常聚集，天文学家推断出了该天体的存在。如果没有它的引力作用，很难解释观测到的聚集现象。虽然从逻辑上行得通，但迄今为止直接的天文观测还什么都没有发现。
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一旦被确认，这必将是一个了不起的发现。它的发现将支持太阳系形成和演化的“五巨头”模型。
; V" g- h. ]8 Z4 W  v对此其实有一个非常简单的解决方案。巨行星依然迁移，形成木星特洛伊小行星和柯伊伯带，但迁移的时间提前到最内层的行星仍在形成之时。这样一来，地球就能躲过一劫。到地球的形成过程完成时，巨行星的早期迁移会散射掉绝大部分的大型小天体。相对此前的情况，由此地球形成过程的后半段就会更为平静。

) d" t# Z0 m) o0 O3 m9 D这是一个很有吸引力的想法，不仅可以解释为什么太阳系会演化成现在的样子，同时也解释了地球是如何在这么早的时期就变得宜居的。不过，仍然存在着最后一个谜团。如果巨行星的迁移发生在地球和月球成形之前，那么就必定有其他东西需要对覆盖月面的环形山负责。但，那是什么呢？

答案也许就在我们附近。在尼斯模型中，晚期大规模轰击的大多数撞击体都来自小行星带。但是，月球上环形山直径的分布与小行星大小的分布并不相符。如果晚期大规模轰击真的是由小行星密集轰击到月球上的，那么月球上应该存在更多的大型盆地，事实却并非如此。也许晚期大规模轰击可能有另一个来源：火星。
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小石头引起的大麻烦

在太阳系历史的早期，火星和木星之间的小行星受到剧烈扰动飞向内太阳系，重创了正在早期发育阶段的地球和月球。
" U% s. P  O. |这个想法目前仍在起步阶段，许多更具体的细节还需要澄清。有利于这个想法的一个事实是，火星的北半球地势低洼，和南半球的高地相比十分平坦。许多人认为这是一个直径2000千米的撞击体撞击所形成的一个巨大盆地。由这个撞击过程所抛射出的碎片在39亿年前轰击了地球和月球。
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) b: k1 J& y8 h此外，还有一个更加激进的解释。39亿年前对月球的轰击其实仍有疑点。得出这一结论的阿波罗岩石样本采集自月球上多个不同的地点，其中有许多显示撞击的时间就在这个数值前后。但是，有人提出阿波罗岩石样本可能都来自于形成月球雨海盆地的撞击事件。由此产生的岩质残骸会散布到月球表面的其他地方，于是乍看之下好像是同时发生过大量的撞击，而实则只有很少。于是，39亿年前的月球兴许并没有遭受到大规模的小天体轰击。如果能证明造成月球上环形山的撞击是细水长流并非一蹴而就，那么尼斯模型就能得救。同样重要的是，它也会对处于婴儿期的地球环境产生深远的影响。如果撞击的强度大幅下降的话，那么早期的地球就不会犹如炼狱一般。

无论以哪种方式，只有地球越早地平静下来，生命才能更快地出现，进而在杰克山的锆石中留下痕迹。把巨行星迁移的时间提前到更早的时间可以与之相一致。未来的研究工作将着眼于巩固这一想法。哈里森已经在另一块杰克山的锆石中发现了石墨斑点，接下去就将对其碳同位素的比值进行分析。
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& G  e7 y& _! }如果哈里森的预感是正确的，那么曾经认为的出现在38亿年前的最早生命形式就并非是我们进化树的起点。相反，地球上生命出现的时间可能还要提前数亿年，几乎就在地球成形之后。这也提升了生命形成的速度以及对环境的耐受程度，极大地增加了宇宙中恶劣条件下寻找到生命的可能性。对地球早期历史的这一重新认识可以指引我们走向更有趣的未来。