彗星比我们想象的更危险

2021/4/16 8:39:06 来源:新浪科技 作者:匀琳 责编:远洋

北京时间 4 月 16 日消息,如果出一部名为《犯罪现场调查:希克苏鲁伯陨石坑》的美剧,你猜剧情会如何发展?没错,调查恐龙灭绝的原因。毫无疑问,这里的“犯罪”现场就是墨西哥的优卡坦半岛,研究人员在那里发现了一个超级大陨石坑。但是,凶器是什么呢 —— 小行星还是彗星?你可能会觉得这其中没有太大区别,就好比洒在路边的士力架巧克力酱和奇巧巧克力条,都是巧克力,仅有细微差别而已。但是,弄清楚到底是什么东西在希克苏鲁伯附近砸出一个大坑,为哺乳动物的繁荣发展扫清障碍,对天文学家评估地球面临的宇宙危险十分重要。

▲有没有可能,使恐龙灭绝的,不是小行星,而是彗星呢?

如你所知,彗星来自遥远的地方,它们在内太阳系停留的时间也十分短暂。基于数十年的研究,科学家认为,彗星撞地球的可能性很小。然而,一项最新研究却表明,彗星对地球的威胁可能比我们之前认为的大很多。特别是,我们尤其需要留意长周期彗星的威胁,而短周期彗星对地球的威胁确实不大。

人们认为,长周期彗星最不可能会撞击我们的地球,因为它们极少穿过内太阳系(通常只出现一次),而且经过时的速度极快。所以,对长周期彗星而言,地球是一个极小的目标。长周期彗星被认为起源于奥尔特云。奥尔特云位于柯伊伯带外,延伸几光年(最远可达 20 万天文单位)一直到太阳系的边缘。大多数来自奥尔特云的物体永远不会靠近太阳,但仍有极少数会滑过我们的天空。当它们接近太阳时,它们会被加热进而携带的冰物质开始蒸发,形成明亮的慧发和慧尾。1997 年,海尔 - 波普彗星经过内太阳系时为地球人带来了壮观景象。

▲1997 年复活节期间,一名摄影师拍摄到的位于克罗地亚帕津上空的海尔 - 波普彗星

这些彗星受到太阳引力的影响十分微小。正是银河系的力量,比如分布不均匀的尘埃和气体云的综合引力,将它们推向内太阳系。但是,短周期彗星(或者说木星族彗星),则被认为起源于柯伊伯带,是经过海王星轨道时留下的结冰物质。在朝向内太阳系前进的过程中,海王星的引力会将它们向外“弹射”。等它们再次返回向着内太阳系奔去时,它们最终会朝向天王星运动,然后在土星的协助下,重复“弹射”的过程,把这些物体抛给木星。木星是除太阳之外最大的扰动源,因为木星的质量是其他行星质量总和的两倍。一旦进入木星的影响力范围,彗星留在内太阳系的时间便进入倒计时,当彗星足够接近木星时,便会被弹出太阳系。在此期间,有那么一小段时间,存在彗星撞击地球的可能,但是时间窗口很小很小,撞击率极低。

在这项发表于《科学报告》上的新研究中,哈佛大学的天体物理学家阿米尔・西拉杰和阿维・勒布为彗星的故事带来了新的涟漪。他们通过计算得出,大约有 20% 的掠过地球轨道的长周期彗星,它们因为太靠近太阳,而有可能被潮汐引力撕裂。这个过程会产生很长的彗星碎片链,大大地增加了彗星碎片撞击地球的几率。

彗星在十分靠近太阳时被潮汐引力撕裂,这样的情况并不罕见。科学家也知道有几组彗星十分有可能是潮汐碎片。例如,克鲁兹族彗星包含上千颗在太阳周围沿着相似轨道运动的彗星,人们认为它们都是某一颗在一千多年前分裂的大彗星的碎片。

▲西拉杰和勒布论文的主旨示意图

根据对希克苏鲁伯陨石坑的研究,科学家可以推测撞击物体的直径大约为 12 公里。陨石坑下面发现的沉积物中包含的物质,通过与小行星有关。这并不奇怪。从天文学角度来说,大多数撞击地球的物质,来自于小行星带内部附近,小行星最密集的区域。事实上,地球陨石中,大部分的岩石在光谱上与小行星相关。

这些陨石因为太过常见而被称为“普通”球粒状陨石,或石陨石。大多数陨石反射的光,与我们用望远镜观察小行星带内部时看到的光类似。不稳定的轨道共振掠过小行星带,当某个小行星进入这些共振区域时,行星(通常是木星)会强烈地扰动小行星的轨道,逐渐拉伸该小行星的轨道直至其变得越来越椭圆状。这会将小行星从小行星带内部推离,推向行星的领域范围,而小行星带外缘的小行星往往会因为太接近木星,而被彻底弹出太阳系。大部分接近中心的小行星会撞向太阳,只有很少一部分会撞击地球。

2007 年的一项研究提出,一颗来自小行星带内部、与巴普提斯蒂娜族(Baptistina family)有关的小行星或许是造成空了灭绝的元凶。根据该研究,1.6 亿前,一颗更大的母小行星与其他小行星碰撞后,产生的残骸形成了巴普提斯蒂娜族小行星。接着,巴普提斯蒂娜族小行星中的一员偶然闯入木星导致的不稳定轨道共振区域,于是被弹入内太阳系,最终在 6500 万年前撞击地球。然而,撞击后留下的沉积物显示,撞击地球的物体与普通的球粒状陨石不太一样,反倒更像碳质球粒状陨石,这便涉及另一种类型的小行星(通常来自外小行星带)。

起先,人们认为,巴普提斯蒂娜族小行星在组成上,与碳质球粒状陨石相似。但后来的研究表明,这些小行星更接近普通球粒状陨石。而且巴普提斯蒂娜形成的时机也往后推迟了很多,大约发生在 8000 万年前,进而给 6500 万年前的撞击事件留下的时间机会大幅缩小。所以,巴普提斯蒂娜小行星撞击致使恐龙灭绝的猜想不再盛行。当然,人们并没有完全排除小行星的可能性。或许,另一个碳质小行星撞击了地球,杀死了恐龙,也不是不可能。

最近一项发表在《科学进展》上的研究便探讨了另一颗碳质小行星撞击地球的可能性。论文的共同作者乔安娜・摩根表示,直径约 12 公里的小行星撞击地球,导致恐龙灭绝,这一点如今“无可争议”。论文的研究人员写道,从撞击坑取回的湖底岩芯之一“完好地保存了希克苏鲁伯撞击事件后在陨石坑内留下的直接后果痕迹,使用不同的地球化学示踪物可以解开这些痕迹的谜团。借助这些示踪物,小行星撞击在最初几个月到新生代数千年内对生物圈和全球环境的影响,以及希克苏鲁伯撞击物体的命运,这些细节可以无比清晰地呈现在我们眼前。”

已有证据表明,能够导致恐龙灭绝的小行星,大约每 3.5 亿年撞击地球一次。如果不考虑潮汐破坏,长周期彗星撞击地球的概率极低,可能灭绝恐龙级别的彗星撞地球事件仅那么一次而已。但是,在考虑了潮汐破坏之后,西拉杰和勒布发现,这种撞击频率与小行星的撞击频率几乎在一个水平上。但是,相同的潮汐破坏过程不会提高小行星的撞击频率,因为小行星太过密集,不容易受到潮汐破坏。

西拉杰和勒布提出的彗星分解模型前提是,需要一颗直径至少为 40 公里到 60 公里的彗星,朝向内太阳系运动。这颗彗星无疑是一个庞然大物,相当于纽约市的大小 —— 从史泰登岛最南端到布鲁克斯最北端(理想情况下,大约一小时的车程)。不过,这么庞大的彗星,我们也不是没见过,海尔 - 波普彗星就有这么大。但是,这么大的彗星在潮汐撕裂后,产生的碎片大小,很难推测。即便如此,西拉杰和勒布通过计算认为,碎片的直径大约在七公里左右,足够导致恐龙灭绝。

虽然新颖,但这个模型仍存在很大的不确定性。种种迹象表明,内太阳系的多数撞击事件的“肇事者”均是小行星,至少,我们看到的那些撞击坑,大多是小行星造成的。水星、火星还有月球上的陨石坑大小分布与近地小行星的大小分布吻合,说明撞击行星的物体就是这些近地小行星。(地球上也有这些大大小小的陨石坑,不过它们要么被地质活动掩盖,要么被侵蚀覆盖了而已。)

另外,彗星分解模型还要求,每一次大彗星因为过于接近太阳而被撕裂时,须产生大量碎片。模拟发现,撕裂的物体会在潮汐力的作用下,被拉成长条,重新聚集成 10 到 20 个物体。1992 年,休梅克 - 利维 9 号彗星在太靠近木星时,被木星的强大引力扯裂成大约 20 个碎片。这些模拟过程与休梅克 - 利维 9 号彗星的自然现象吻合。值得一提的是,克鲁兹族彗星中的数千颗彗星也被认为,来自一系列的彗星分解事件,而非单个彗星的分解。相反,新模型需要产生数百至上千个碎片,才能将彗星撞击的概率提高到与小行星撞击概率相同的水平。

▲图中的冰冻碎片链(包含 21 个碎片,未全部展示)属于休梅克 - 利维 9 号彗星,长约 710000 公里,是地球到月球距离的三倍

接着是铱元素。全世界广泛的地质挖掘表明,撞击之后,会有一层富含铱元素的物质沉积下来。由于铱元素是“非常亲铁的”元素,所以地球上的铱元素几乎都在地核内,而在地球的其他地方,铱元素极其稀有。因此,科学家认为,这些富含铱元素的物质来自太空。灭绝恐龙的凶手必然含有丰富的铱元素,足以在地球上留下一个覆盖全球的富含铱元素的物质层。

那么,彗星的铱元素含量够吗?这取决于彗星的构成。虽然能用来检测的彗星碎片不多,但 NASA 的星尘号飞船从维尔特二号彗星带回的样本告诉我们,它们与碳质球粒状陨石飞船相似,而已知碳质球粒状陨石含有铱元素(尽管含量比普通球粒状陨石的少)。按道理说,彗星撞击物体的铱元素含量不会比小行星的少很多,但具体情况仍有待进一步研究。

这就使得我们一只脚踏上了无人之地。虽然巴普提斯蒂娜族小行星理论已经成为过去,但碳质小行星的数量足够丰富,仍可以成为可信的小行星撞击物体,并且也能匹配所有数据。但这并不能完全排除西拉杰和勒布提出的彗星撞击物体理论,因为潮汐破坏在(通过产生彗星碎片)提高彗星数量时,也大大增加了彗星碎片撞击行星的几率。至少,在未来计算撞击概率的时候,我们需要考虑彗星碎片的因素。

但显而易见的是,哪怕彗星撞击没有灭绝恐龙,被太阳引力撕扯成碎片的彗星,对地球的威胁,远比我们以前想象的要大。

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