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火星陨石|火星陨石的地球“流浪记”

出品：科普中国
制作：徐琳 （中国科学院月球与深空探测总体部、中国科学院国家空间科学中心）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
2019年十月 ， 一颗陨石坠落在我国吉林省 ， 东三省的网友们目击了这震撼的一幕 ， 而这已不是陨石第一次光临吉林了 。 1976年3月8日15时 ， 陨石雨降落吉林 ， 当时也收集到了重达1770公斤的世界最大的石陨石 。
火星陨石|火星陨石的地球“流浪记”
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△（图源：央视新闻微博视频截图）
陨石是闯入地球的天外来客 ， 它蕴含着珍贵的宇宙信息 ， 科学家们称陨石为“太阳系的化石” 。 人们对陨石进行大量研究 ， 包括确认陨石的来源 ， 挖掘他们的“流浪史” 。 今天就让我们一起来看一看 ， 我们对火星陨石是如何进行研究的 。
你从哪里来——第一块火星陨石的发现
我们想要了解火星 ， 除了发射探测器前往火星考察以外 ， 还可以通过另一个重要途径 ， 那就是研究火星陨石 。 在太阳系 ， 受到小天体碰撞的现象普遍存在 ， 火星也不例外 。 当石块被撞出来的速度大于逃逸速度时 ， 会被抛射到太空中 ， 其中的一部分会坠落到地球表面成为陨石 。 来源于火星的陨石被称为火星陨石 ， 而最重要的判别依据 ， 是将这些岩石中所捕获的气体成分 ， 和火星探测器所探测到的火星大气成分进行对比 。
火星陨石|火星陨石的地球“流浪记”
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△火星 （图源：美国宇航局官网）
火星陨石其实很早就被收集到 ， 但由于没有可供对比的火星样品 ， 这类陨石的来源一直无法确认 ， 直到1982年情况才发生改变 。 那么第一块火星陨石是如何确认的呢？
最早被发现的火星陨石名为“Chassigny” ， 除此之外 ， 截至1962年 ， 还有3块火星陨石在全球其他地方被收集到 。 这类坠落被人看见并很快收集起来的陨石又称为“降落型陨石” 。 长期以来 ， 人们不确定这些陨石来自哪里 ， 只知道它们经历过高温熔融 ， 是从岩浆中结晶形成的岩石 。 此外 ， 这些陨石又和绝大部分古老的小行星陨石不同 ， 它们的年龄都很年轻 ， 甚至比大多数月球岩石还年轻 。 这些证据似乎都将陨石的来源指向了火星 。
科学家将这些未知的岩石划分为不同的岩石类型 ， 统称为SNC族陨石（SNC为三块典型样品名字的英文首字母 ， S: Shergotty ，N: Nakhla, C: Chassigny） 。 但让大家困惑的是 ， 如果他们是来自火星的陨石 ， 那为什么会没有月球陨石呢？毕竟 ， 从月球表面撞出一块岩石并落到地球上 ， 无论怎样都比火星要容易得多 。 因为月球几乎没有大气 ， 引力很小 ， 逃逸速度只有每秒2.5 公里 ， 也就是说 ， 月球表面被撞出来的岩石 ， 其速度只要达到每秒2.5公里 ， 就能够逃离月球 。 而火星则不同 ， 火星有大气 ， 引力比月球大 ， 逃逸速度至少要每秒5公里 。
这一困惑在1982年得以解开 ， 这一年 ， 美国南极科考队在南极发现了一块特殊的陨石 ， 通过将其与1961-1972年实施的阿波罗计划从月球表面采集并带回381.7千克的月岩样品进行对比发现 ， 这块陨石就是来自月球 。 月球陨石的发现 ， 解决了科学家们多年的困惑 ， 也为火星陨石的确定提供了灵感和信心 。
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△第一块被发现的火星陨石Chassigny（图源: 国际陨石命名数据库）
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△第一块被确认的火星陨石EETA 79001 ， 图中显示的是被锯子切开的截面 ， 上面的黑色斑点就是熔融玻璃（图源：美国宇航局官网）
虽然没有火星的岩石样本可供对比 ， 但1976年美国的“海盗1号”和“海盗2号”成功着陆火星 ， 让我们有了火星大气成分的数据 。 因此 ， 如果火星陨石在离开火星时捕获了一些火星大气 ， 就可以同“海盗号”的分析结果进行对比 。
1979年 ， 美国南极陨石科考队在南极发现了一块较大的SCN族陨石 ， 并将其命名为EETA 79001 。 科学家将这块陨石切开（如上图） ， 可以清楚地看到切割面上有许多黑色区域 。 把它们放在显微镜下观察 ， 发现它们实际上是玻璃 。 这些玻璃是小行星撞击火星表面时 ， 高温熔融后快速冷却形成的 ， 又称“熔融玻璃” 。
这与地球上的玻璃陨石很相似 ， 后者是小行星撞击地表 ， 高温将地表岩石熔融成了玻璃 ， 玻璃陨石中有很多气泡 ， 包裹着地球的大气 。 同理 ， 火星陨石中的这些玻璃中也有气泡 ， 但包裹的是当时的火星大气 。 这样一来 ， 科学家就可以通过分析SNC族陨石中的气体成分 ， 对比其与火星大气的异同来确认它们是否来自火星 。 通过对EETA79001玻璃中气体的组分进行分析 ， 得到了令人兴奋的结果 ， 它们真的与“海盗号”飞船所分析的火星大气成分完全一样 ， 从而确确实实地证明 ， 这块陨石的确来自火星 。
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△“海盗号”所探测到的火星大气组成与EETA 79001陨石中的玻璃所捕获气体的Log对比图 。 二者落在一条直线上 ， 说明它们的组成相同 。 （图源：参考文献1）
有了这个结果 ， 同类型其他陨石的火星来源也就比较容易确认 。 除了可以通过做类似分析来证明捕获有火星大气之外 ， 还可以通过化学组成、同位素组成、矿物组成和岩石结构等证明它们是一家人 。 特别是氧的同位素组成 ， 有着类似于“指纹”一样的唯一性 。 不同类型的岩石 ， 只要它们来自同一个天体 ， 它们的氧同位素组成完全相同 ， 而不同天体之间的氧同位素组成有显著的差异 ， 因此可以用该方法来证明它们是相同的来源 。 近年来 ， 通过将火星车探测的火星表面岩石数据和火星陨石的进行对比 ， 也能确定火星陨石的来源 。
奇特的火星陨石ALH 84001
在人类的探测器去火星采样返回以前 ， 火星陨石都将是我们唯一所拥有的火星岩石样品 。 在目前已收集到的近300块火星陨石中 ， 绝大部分发现于沙漠和南极 ， 都是掉到地球上过了很久以后才被发现的 ， 即所谓的“发现型陨石” 。 其中有一块赫赫有名 ， 它就是1984年在南极阿仑山地区发现的火星陨石ALH 84001 。
遵循国际通用的陨石命名规则 ， ALH 84001是以它的发现地来命名的 。 ALH是阿仑山的英文Allan Hills的缩写 ， 数字84代表是1984年被发现的 ， 001一般指当年发现的第一块陨石 。 这块陨石虽然不是第一块被发现的火星陨石 ， 但却是名气最大的 ， 连美国总统克林顿都对他称赞有加 。 那么它是如何从一块默默无闻的石头 ， 变成一名“网红”的呢？
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△ALH84001火星陨石 （图源：美国宇航局官网）
这还要感谢现代分析技术的飞速发展 ， 各种高精尖的分析仪器 ， 让科学家们练就了十八般武艺 ， 可以从里到外来个“底朝天”式的研究 。 通过研究 ， 科学家们还原了它的成长历程 。
ALH 84001的年龄约44（±1）亿年 ， 是最古老的火星陨石 。 虽然近年来有新的研究数据显示 ， 该陨石可能没有那么老 ， 但其年龄仍然有41（±1）亿年 。 大约一千五百万年前 ， 有一个小天体撞击了火星 ， 火星上的该区域已不是第一次被撞 ， 但此次撞击力度十分巨大 ， 直接使溅射出的岩石的速度超过了火星的逃逸速度 。 这块岩石和其它被撞出来的大量碎块一起 ， 开始了在太空中1500多万年的漫长旅途 。 终于 ， 大约在1.3万年前 ， 这个碎块穿过地球大气层 ， 坠落在南极阿仑山地区的冰盖上 ， 成为一块陨石 。 它在那里孤独地躺了很久 ， 直到1984年被美国的南极科考队找到 。
而这块陨石之所以名声在外 ， 是因为它可能携带了火星远古生命的化石 。
什么？！火星有生命？！是的 ， 火星早期可能有生命 。 为什么会有这样的结论呢？原来 ， 科学家们在对该陨石的分析中 ， 发现了一些蠕虫状的管状结构 ， 这和地球上的磁细菌尤其相似 。 磁细菌是一类很神奇的细菌 ， 它们会对磁场有反应 ， 在外磁场的作用下能作定向运动 ， 它们的体内具有纳米磁性颗粒排列的链条 ， 这种磁细菌主要分布于土壤、湖泊和海洋中 。 这种蠕虫状管状结构被认为是火星曾经存在生命的重要证据 。 这一重大发现让这块普通的石头瞬间成为网红 ， 占据了新闻媒体的头条 。
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△电子显微镜下ALH84001火星陨石的蠕虫状管状结构(图源：参考文献2)
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△透射电镜下观察到的磁细菌(a)和典型的磁小体链（b）(图源：参考文献3)
但很快这一结论就受到广泛质疑 。 有的科学家认为 ， 没有足够的证据证明这种类似细菌形态的管状结构是细菌化石 ， 它也可能是由火星地质过程形成 ， 只是看起来像细菌而已 。 除此之外 ， 有科学家还在该陨石中发现了有机质 ， 但更多的科学家认为 ， 那只是样品受到了地球物质的污染 ， 毕竟它在地球上待了那么久 。 就这样 ， 一些和生命相关的证据都被否认了 。
我们的征途是星辰大海
虽然远古化石的证据存在争议 ， 但却给通过火星陨石来寻找生命遗迹翻开了新的一页 。 此后 ， 在其它一些火星陨石中 ， 也发现了各种“生物存在的痕迹” 。 有的火星陨石中还发现了2亿年前地下水活动的证据[4] ， 这说明尽管自30亿年甚至更早以来 ， 火星表面就已变成了像现在这样极度寒冷和干旱的模样 ， 但在地下仍可能存在液态水 ， 而水是生命存在的重要条件 。
此外 ， 2013年在一块名为Tissint的火星陨石中 ， 还发现了可能是生物成因的碳 ， 这些有机碳的氢同位素很重 ， 即含有很多由一个质子和一个中子组成的氘 ， 这是火星物质区别于地球物质的重要证据 。 同年 ， “好奇号”火星车在火星的岩石样品里也探测到了有机碳 ， 这也间接验证了该陨石中有机碳的发现 。
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△提森特（Tissint）火星陨石 ， 2011年7月降落在摩洛哥的沙漠中 。
左图显示的是该火星陨石的一部分 ， 表面有残留的陨石熔壳 。 右图显示了在该陨石裂隙中发现的有机碳（图源：参考文献5）
【火星陨石|火星陨石的地球“流浪记”】这些结果不断地鼓舞着大家 ， 而一项最新的研究结果 ， 似乎又让曾经的网红ALH 84001重新回到公众的视线中 。 2020年 ， 有科学家在该陨石中发现了含氮的有机分子 ， 而氮是地球生命的基本元素 。 过去由于分析技术的限制 ， 并没有对该陨石中的氮进行检测 。 此次分析尤其注意避免可能的污染 ， 从该陨石的内部提取的颗粒样品 ， 经过去污染处理 ， 再对样品进行分析 。 含氮有机分子的发现表明 ， 早期的火星 ， 或许更像现在的地球 。 这似乎预示着我们离答案又近了一步 。
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△火星陨石ALH84001中发现含氮有机物的橙色碳酸盐颗粒（图源：参考文献6）
人类花费大量的人力物力 ， 终于有方法确认这些天外来客的归属之地 ， 并对它们进行了大量的研究 ， 而这 ， 只是我们探索浩瀚宇宙的一小步 。 随着今年我国的首次火星任务“天问一号”、美国火星2020任务 ， 以及阿联酋火星任务的实施 ， 期待后续的火星生命探索中有更多新的发现 。
参考文献：
1.R.O.Pepin, Evidence of Martian origins, Nature, 317,473-475, 1985.
2.R.A.Kerr, Ancient life on Mars? Science, 273, 864-866, 1996.
3.G.A.Paterson. Yinzhao Wang and Yongxin Pan, The fidelity of paleomagnetic records carried by magnetosome chains, Earth and Planetary Science Letters, 383, 82-91, 2013.
4.S.Hu et al., NanoSIMS analyses of apatite and melt inclusions in the GRV 020090 Martian meteorite: Hydrogen isotope evidence for recent past underground hydrothermal activity on Mars. Geochimica et Cosmochimica Acta, 140, 321-333, 2014.
5.Yangting LIN et al., NanoSIMS analysis of organic carbon from the Tissint Martian meteorite: Evidence for the past existence of subsurface organic-bearing fluids on Mars. Meteoritics & Planetary Science. 49, 2129-2304, 2014.
6.Mizuho Koike et al., In-situ preservation of nitrogen-bearing organics in Noachian Martian carbonates. Nature Communications. 11, 1998, 2020.
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