沙盒隕石坑揭示行星飛濺痕迹和失落隕石的秘密

每天地球都會受到來自太空的大約100噸物體的轟擊，其中大部分是簡單的塵埃或沙粒大小的粒子，它們在撞擊大氣層上層時被摧毀。但很少有一顆足夠大的小行星能經受得住進入地球的高溫，並最終落到地球表面，在那裡，它的銀河之旅以撞擊結束。大多數隕石是如此的小以至於它們在地面上沒有留下任何痕迹。然而，較大的岩石以碗狀撞擊坑的形式留下了它們的印記。

亞利桑那州的巴林傑隕石坑是一個著名的隕石撞擊地球的例子。圖片：Shane.torgersonhttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Meteorcrater.jpgCreative Commons Attribution 3.0 Unported license.

一個著名的例子是亞利桑那州的5萬年前的巴林格隕石坑，直徑1.2公里，深度170米。但人們不僅在地球上觀測到了撞擊坑：科學家們還在水星、金星和火星、我們自己的衛星——月球、木星和土星的衛星上發現了它們。幾十年來，隕石坑的一個特徵一直困擾著科學家。隕石的衝擊力將地面變成粉末，並以錐形的軌跡將粉末拋向空中。飛粉在火山口周圍形成一條毯子。但是為什麼有些毯子形狀像射線——長長的，徑向的條紋從火山口的中心像輪子上的輻條一樣散開?

在發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一項新研究中，來自沖繩理工大學(Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, OIST)的科學家們模擬了這些外星碰撞，以揭示這些神秘的隕石坑射線是如何形成的。oits流體力學部門的負責人，副教授Pinaki Chakraborty說：不可能用真正的隕石造出一個真正的隕石坑，但是可以用模擬來模擬發生的事情。一個廣泛研究的簡單實驗提供了一個模擬：把一個重金屬球扔到沙床上;球拋出沙子，形成一個被毯子包圍的彈坑，問題是這些實驗不會產生環形山射線。

高速攝影的球滴實驗到一個顆粒表面印有規則的六角形圖案。在撞擊點的邊緣可以清晰地看到噴射光線的頂部。圖片：OIST

但也有一些奇怪的例外。直到有一天，連續物理單元的塔潘·薩布瓦拉博士(Gustavo Gioia教授)在YouTube上觀看高中學生的擲球實驗時，他才發現了可能引起射線的第一個線索：這些實驗在科學課上很受歡迎，注意到他們的一些實驗產生了隕石坑射線。那麼這些實驗的獨特之處是什麼呢？一個詞：混亂。研究人員在扔球之前，通常會把沙子的表面弄出來，但視頻顯示學生們跳過了這一步。毫無疑問，當薩布瓦拉博士在凹凸不平的表面上重複這個球滴實驗時，這些小隕石產生了隕石坑射線，那是一種頓悟時刻。

尚不清楚為什麼不平整的地貌會形成隕石坑射線。因此研究小組在一個平坦的沙床上進行了第二項實驗，沙床上刻有一個規則的六角形山谷圖案。在撞擊之後，所有的山谷都接觸到球的邊緣，產生了一道光線。洛伊斯流體力學部門的技術人員克里斯蒂安·布徹(Christian Butcher)用不同的變數重複了這個實驗：改變了球的大小、山谷之間的距離、球的下落高度、床上的顆粒等等，影響射線數量的唯一變數是球的大小和山谷之間的距離。為了進一步研究隕石坑射線背後的機制，研究小組轉向了計算機模擬，撞擊球在床上產生衝擊波，衝擊波將從山谷中噴射出來的沙粒沿著放射狀的條紋集中起來，形成射線。」

在了解了隕石坑射線是如何形成的之後，科學家們建立了一個理論模型來預測射線的數量。模型預測與小型隕石實驗吻合得很好，使科學家們能夠預測真實行星粗糙表面上的光線模式。他們的模型還有另一個令人興奮的轉折:它也可以用來了解創造隕石坑的隕石。根據隕石坑有多少射線，研究人員可以計算出形成隕石坑的隕石的直徑。Chakraborty教授說：可以用這個模型來觀察幾乎任何一個rayed隕石坑，並了解它是如何形成的。

博科園-科學科普｜參考期刊：物理評論快報｜來自：沖繩科學技術大學

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