地球晶體中可能保存了銀河旋臂的痕跡

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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：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，多數人大概會想到火山啦、地震啦、巨型的大陸數萬數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，地球的地質史還被紀錄在遙遠的星星上？尤其是，在銀河的旋臂中？這是個大膽的想法，最近有個研究把天體物理學聯合到地質學，響應了這個想法。

目前為止，這些具有爭議的想法都是建立在模型的基礎上的，地球地質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古晶體的化學指紋做了對比，對比的結果支持這個觀點：地殼可能曾經受到太陽系繞行銀河系之旅的影響。

借氫來解讀銀河

天文學家常使用中性的氫，最簡單的原子，僅包含一個質子和一個電子，來作為宇宙的標記物。

這一原子氫會發(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，用可見光的望遠鏡可是看不到它們的。

銀河的旋臂并非實體，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行。

因為太陽系圍繞銀河系中心的速度比旋臂要快，所以它會周期性地趕超旋臂，差不多是每1.8到2億年一次吧。從旋臂中穿過會增加撞擊地球的彗星和小行星的數量。

鋯石晶體：微型時間膠囊

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。

鋯石是一種堅硬的礦物，在地殼中很常見，能存在數十億年。

鋯石晶體于巖漿中形成，像微型的時間膠囊。它們不光能測定年代，它們還攜帶了關于其生長年代的地球的化學線索。

在這些晶體的內部，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性質和不同的質量。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接觸過地表水。

當太陽系繞銀行系運行時，它穿過氫氣相對密集的旋臂。如果在氫原子密度高的時期，鋯石當中會出現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。結果是？令人震驚的強相關。

太陽系穿越旋臂的時間段（旋臂內氫密度更高）恰好匹配了鋯石中氧的同位素變異性的激增。

換句話說，當地球深陷“銀河開天地”的造星旋臂時*，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。當太陽系穿越銀河系的旋臂時，撞擊地球的彗星和小行星數量可能會增加 | 圖片來源：NASA/JPL-Caltech/R. Hurt

地殼上的銀河指紋

怎么解釋這個關聯呢？

一種觀點認為，當太陽系穿過旋臂時，可能會擾動遙遠的冰凍區(qū)域——奧爾特云。它是一個巨大的彗星庫，比冥王星還要遠。這樣，一些彗星可能會朝著地球沖過來。

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

每次撞擊都會產生巨大的能量——足以融化巖石，造成地質上的巨變，在地殼上留下長久的標志。

關鍵在于，這一紀錄可保留數十億年，比地球上尚存的撞擊坑要長久得多。撞擊坑常常因為侵蝕或板塊漂移而消失不見。

因此，鋯石也許可以提供一個深時*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（deep-time）是地質時間的概念，其跨度達數十億年，最初于18世紀作為科學思想提出，20世紀經約翰·麥克菲等作家推廣普及，其影響已延伸至地質學、進化生物學、氣候科學、哲學、教育學及環(huán)境倫理學等多元領域。

宇宙的聯結

如果地球的地質的確和銀河的節(jié)奏相呼應，那我們對行星演化的認識又得到了拓展。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造，它周期性地重塑了我們太陽系的環(huán)境。

辨認行星地質當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。當然了，要保持警覺，關聯性并不總是意味著因果關系，而且分清穿越銀河旋臂導致的結果和地球本身進化的過程也很困難。但眼前的證據說服力很強，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系。

克里斯·柯克蘭（澳大利亞科廷大學地質年代學教授）與菲爾·薩頓（英國林肯大學天體物理學高級講師）

責任編輯：郭皓存

牧夫新媒體編輯部

『天文濕刻』 牧夫出品

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韋布空間望遠鏡拍攝的棒旋星系NGC 1365

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

處理：Alyssa Pagan (STScI)

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