向我們講述太陽系起源的最小微粒

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放大鏡下的彗星塵埃

最小的微粒向我們講述太陽系的起源(下篇）

接上篇

早期太陽系的信使

這一發現不僅出乎意外，並且傳達了一個很有價值的信息：材料的特質表明，灰塵中的有機成分要麼於剛成型的太陽周圍的塵埃帶中形成，要麼形成於更早的星際塵埃中，後來成為了我們的太陽系。這些結果展示在Fray和他的合著者刊登在《自然》期刊的文章中。來自馬普所從事太陽系研究的Martin Hilchenbach補充道，在塵埃顆粒被彗星釋放出來之後，會靜靜等待數十億年，直到被COSIMA捕獲。

來自義大利Osservato天文觀測中心的Marco Fulle也得出了非常類似的觀點，研究彗星及其塵埃的專家與他的團隊分析了Rosetta探測器上的CIADA收集的數據，並藉助模型得出了彗星構成的結論。

這一結論既是意料之內的卻又是一個驚喜：如普遍認為的那樣，彗星67P由岩石和冰塊構成。初步研究還猜測，這類天體主要由嵌在塵埃中的冰塊構成（也被描述為臟雪球），這與航天器的發現結果正好相反。Marco Fulle的模型也表示小冰塊上一定會帶有塵埃塊——因此彗星更像一個結冰的岩石塊。此外有機材料佔到彗星體積的一半，與地球上的岩石截然不同。

灰塵的微觀結構

有機物對彗星的產生和特性有何種影響，還有待研究。在「星際塵埃」發展成星際塵團甚至更大的個體期間，有機物可以充當粘合劑的角色，把那些岩石體粘連起來。

這些岩石體在Marco Fulle的模型中佔比30%。剩下的彗星組成物是不同形式的冰，在低溫的情況下冰是彗星的主要組成部分，這其中不僅有水的固態，也有二氧化碳的固態形式。根據Fulle的模型，彗星中的小灰塵結構和早期的太陽系灰塵的理論計算結構是一致的。這進一步表明，Rosetta中塵埃分析裝置所研究的微粒似乎數十億年以來從未改變。

我們把灰塵的這一部分放在放大鏡下觀察其微觀結構。MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System，微成相塵埃分析系統) 揭露了彗星最小的灰塵的結構，在這幅圖中展示的較大的一部分大致相當於是微小灰塵的大小，由許多更小的單元組成，而這些單元差不多是最小的個體了。塵埃的顏色是最深的黑色，如圖1所示b, c和d就是塵埃團，這是對抱團在一起的小塵埃塊的命名。。

COSIMA收集到的彗星塵埃和其顯微成像的結果顯示，圖中共有4處不同的區域。顆粒a是「緻密的」，而顆粒b/c/d則成「簇。顆粒b因為由不同種類的微粒組成，歸類於「破碎簇」。顆粒c是「膠合簇」，它由一種粘合劑結合在一起的。顆粒d被稱作「瓦礫堆」，因為它由大量相似大小的微粒組成。

位於奧地利格拉茨的宇宙研究學院的MIDAS科研負責人Mark S. Bentley在他近期在《自然》期刊上發表的文章中表示，彗星67P由灰塵構成並不斷的積累。其中10微米大小的塵埃較多，其亞結構大小在1微米級範圍。這樣的塵埃亞結構又由幾百納米大小的組分構成。這樣的結構可以細分到什麼程度以及最小成分的大小都還是未知的。除了「Rosetta任務」以外的各種不同的分析顯示，最小的構成組分應該是納米級的，與最小的病毒大小相當。

如MIDAS裝置拍攝的三維圖所示，即使是最小的彗星塵埃微粒也是由許多更小的微粒組成，而這些更小的微粒也由比它們還小的亞單元構成。圖中顏色並非真實顏色，而是為了將高度變化可視化。

MIDAS和COSIMA發現的塵埃微粒是如何抱團成為塵埃塊的呢？形成行星的最初步驟是什麼？太陽系初期狀態模擬和塵埃團塊成長實驗一同展現了第一步是如何演變的：在太陽系的早期，年輕的太陽被氣體和塵埃包圍著。微粒塵埃伴隨氣體環繞太陽運動。他們的相對速度非常慢，以至於兩顆塵埃微粒碰撞並粘附在了一起，漸漸的產生了具有分形結構的塵埃塊。

分形結構可以在自然界的多個領域找到。他的原始形態尤其容易被找到：例如雪花的每一個角都表現出一樣的形狀，每一級放大體也都是一樣的。所謂統計學分形則沒有完全相同的規率，而只在統計學意義上顯現出一樣的結構。例如我們根據其特徵把某條海岸線看作統計分形。人們估計太陽星雲中的塵埃塊也是統計學分形結構。

事實上這一具有特性的結構在67P彗星的塵埃中被發現。MIDAS的原子力顯微鏡拍下了一個這樣的微粒。這種微粒的極疏鬆性立刻吸引了人們的注意，它幾乎是可以透視的。

MIDAS搭載的原子力顯微鏡拍下了一張結構最為脆弱的彗星塵埃微粒三維圖，每一個微粒不僅清晰可見，甚至整體都有一定的透明度。為了使其疏鬆結構得以更好地呈現，微粒的背景通過圖像處理手段被去掉了。另外，這個微粒的真實顏色是深黑色的，而圖示顏色是為了更清晰的表現高度差。這張圖片的像素點大小為210納米，因此只能看到大於600納米的結構。

難以想像結構如此脆弱的微粒能太陽系形成之初存留至今。研究太陽系初期塵埃演變的科學家們認為，大型分形結構塵埃在與其他微粒撞擊時變得緊湊，失去了分形結構。這些塵埃微粒多數大小為幾厘米，根據Macro Fulle的觀點，他們有可能是現今太陽系內任何物體的基石。由此說來，圖2圖3中所見塵埃微粒皆是較大塵埃塊的碎片。

每一個67P彗星上的分形塵埃微粒必定都經過撞擊並直接沉積於彗星表面。他們因此得以在數十億年間保留其形狀。由此，分形微粒帶我們看到了太陽系初期物體的演進階段。成簇的緊湊塵埃揭示了演進步伐的下一個階段。彗星的結構證實了早期那些環繞太陽運行的大至千米級的星體的構成方式。

「Rossetta任務」的探測結果讓我們開啟了一次回到太陽系形成初期的時光之旅。儘管我們尚未完全揭開行星體系的形成過程的奧秘，但答案正逐漸浮出水面。

對於67P彗星塵埃的分析給了我們一個清晰的總覽：在太陽系早期，最微小的塵埃顆粒集結成了大的團塊。最初成型的是疏鬆的分形結構，而後演變為大型緻密塵埃塊。這些塵埃塊主要由有機分子組成，同時也含有類似於岩石的耐熱材料和冰。這些塵埃塊很有可能是太陽系中所有物體的基石，不僅是彗星，還有月球和行星以及我們的地球。

（END）

作者：瑟德·曼內爾（Thurid Mannel）

馬克·本特利 （Mark.S.Bentley）

羅蘭·斯米德 （Roland Schmied）

翻譯：王坤

校對：系外行星地瓜君 王坤

編排：邱煜欣 | 配樂：解仁江

責任編輯：解仁江

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