周一 · 知古通今|周二 · 牧夫?qū)?/p>

周三 · 風(fēng)月同天|周四 · 觀測指南

周五 · 深空探測|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：牧夫校對組

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 | 圖片來源：NASA/JPL-Caltech

如果問，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)萬數(shù)億年間緩慢地分開或聚合啦，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)記錄的間斷和太陽系銀河軌跡的不確定性限制了它們的研究。

但我們在本周發(fā)表于《物理評論研究》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)指紋做了對比，對比的結(jié)果支持這個(gè)觀點(diǎn)：地殼可能曾經(jīng)受到太陽系繞行銀河系之旅的影響。

借氫來解讀銀河

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

這一原子氫會(huì)發(fā)射出波長為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運(yùn)行。

因?yàn)樘栂祰@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，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。它們不光能測定年代，它們還攜帶了關(guān)于其生長年代的地球的化學(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自地球的深處還是曾經(jīng)接觸過地表水。

當(dāng)太陽系繞銀行系運(yùn)行時(shí)，它穿過氫氣相對密集的旋臂。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系銀河軌道的射電頻率測定氫密度。結(jié)果是？令人震驚的強(qiáng)相關(guān)。

太陽系穿越旋臂的時(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，當(dāng)?shù)厍蛏钕荨般y河開天地”的造星旋臂時(shí)*，地殼好像也正處在“混沌初開”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)太陽系穿過旋臂時(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，比冥王星還要遠(yuǎn)。這樣，一些彗星可能會(huì)朝著地球沖過來。

克里斯·柯克蘭使用離子微探針檢測鋯石礦物顆粒的年代 | 圖片來源：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久得多。撞擊坑常常因?yàn)榍治g或板塊漂移而消失不見。

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

*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)，那我們對行星演化的認(rèn)識又得到了拓展。它告訴我們，要全面理解地球，我們得超過地球本身，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，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)化的過程也很困難。但眼前的證據(jù)說服力很強(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（英國林肯大學(xué)天體物理學(xué)高級講師）

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：astronomycn

韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的棒旋星系NGC 1365

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

處理：Alyssa Pagan (STScI)

謝謝閱讀