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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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