星塵號--彗星微塵的初步解密

劉名章

Dept. of Earth and Space Sciences, UCLA.
mailto: mcliu@ess.ucla.edu
http://oro.ess.ucla.edu/~mcliu

  這篇文章為什麼在星塵號Preliminary Examination Team (PET)將這些珍貴標本作出初步研究的四個月後才出現呢?因為小弟懶再加上有其他論文事情的羈絆….在此對不起廠公及對星塵號有興趣的各位。

  由於筆者老板是PET的同位素小組的頭頭,所以筆者也有幸參與了星塵號微塵的初步同位素分析工作。不過,本文將對彗星微塵的部份礦物學與所有的同位素初步分析,作一個整理歸納 (有機物化學,紅外光譜學的分析,因為遠超過我的能力,所以在此就不丟臉了),讓大家知道,星塵號任務讓我們對太陽系起源了解多少;或是,讓我們對太陽系的起源,有著更多的未知與問號。星塵號的任務背景,請參考前面的拙作。在此就不加贅述。若有興趣想要閱讀在Science期刊全文的同好,請來信與我聯絡。我將會把pdf檔寄給各位。

廢話不多說,趕快進入正題。

  首先是礦物學方面。星塵號所收集到的微塵中,最重要的發現之一則是在高溫下形成的礦物 (形成溫度約在1300-1400 K上下),比如說橄欖石,osbornite (TiN),輝石與我們在隕石的鈣鋁包裹體 (Ca-Al-rich Inclusions) 中會找到的高溫礦物。這些東西,讓研究太陽系化學的科學家們著實嚇了一大跳。彗星不是在40AU外形成的天體嗎?在這麼冷的環境中,應該多以揮發性物質或是低溫物質為主,為什麼會有在高溫下才會形成的礦物存在?小行星和彗星,一個大約在3AU,另一個在40AU以外,為什麼某些彗星塵的礦物組成跟隕石中的鈣鋁包裹體類似?若在這麼大的空間範圍內,找到組成相似的高溫礦物,這似乎代表的是,在太陽系早期必須要有大尺度的徑向轉移 (radial transport),從內太陽系到小行星帶,甚至到外太陽系,才有可能辦到。那這個徑向轉移的物理背景是什麼?為什麼可以把小顆粒從內太陽系高溫處搬到3AU甚至更遠的40AU以外?

  再來是同位素分析方面。PET的同位素小組,分析了彗星塵中,氫,碳,氮與氧同位素的組成。這些分析,試圖回答下面的幾個問題。第一,彗星是不是主要由老於太陽系的物質組成的? 第二,彗星中有多少真正的星塵 (真正從演化後期的恆星中所形成的)?第三,彗星微塵中的同位素組成,和隕石,行星際空間微粒的關係又是什麼?第四,早期太陽系中的混合作用到什麼程度?以下,我把這些同位素分析的結果,以最簡單,最親和,最不拖泥帶水的方式 (我作的到嗎?)介紹給各位。

  首先是氫同位素方面,被分析的彗星微塵中,基本上沒有太令人印象深刻的成份,其D/H (氘/氫比值) 落在已知的行星際微塵的D/H範圍內,類似彗星水分子中的同位素成份,但低於彗星中的HCN同位素值,更遠較最極端的IDP比值來的低上許多。當然,D/H很容易受到各種不同因素的影響,尤其是這些灰塵是透過撞擊而被aerogel抓住,在這個過程中,D/H極有可能產生變化。所以,這些量測到的D/H可能無法反應Wild/2彗星的水分子的同位素成份。

  再來是碳與氮同位素,這兩種同位素的量測,主要是要來找尋老於太陽系的微粒子 (presolar grains,這必須要另闢文章來討論之)。這些微粒子,由於是在星球中凝結下來,所以基本上它們保存了這個星球中,元素形成的特徵。而這些特徵和太陽系的平均值相差甚大。以碳同位素來說,太陽系物質的12C/13C平均比值是約89,若今天發現了一顆微粒,它的12C/13C比值約是52,那我們可以很篤定的說,這顆微粒絕非太陽系的顆粒,而是一顆從某個AGB星球或是紅巨星來的小塵埃!氮同位素也是同樣的道理,只是平均太陽系的比值大約是300上下。所以,若我們發現一顆顆粒,14N/13N的比值離300有牛郎織女之遠,那我們也可以很肯定,這顆顆粒一定不是太陽系內產生的。知道了這個前提,我們再回到星塵號的標本上。分析的結果也是讓大家下巴狂掉,PET階段分析的aerogel中的微塵,居然沒有一顆是presolar grain! 幸好,在收集器上的用鋁箔紙包裹住的部份中,在某個撞擊坑洞旁邊找到了一顆presolar grain,可惜的是,這顆小傢伙已經被分析光光了,屍骨無存。從這個初步分析,反應的是在彗星中 (至少是Wild/2這顆) 似乎沒有太多presolar grains。但是,這只是第一步。後續尚有許多標本等待研究,或許會有更多驚奇也說不定。

  最後是氧同位素。氧是類地行星中最豐富的元素。而每個類地行星(含小行星)的平均氧同位素值都有些微的差異,所以氧同位素基本上可以拿來當作這些行星的指紋。但是若把規模放到只有幾個毫米大小,我們會發現,在隕石鈣鋁包裹體中,不同礦物居然有著不同的氧16的異常豐度,彼此間的差異可達到5%!如果是presolar grains,氧同位素的差異甚至可以達到好幾個數量級。星塵號微塵在經過分析後,某個和隕石鈣鋁包裹體類似的礦物組合,居然和鈣鋁包裹體有相同的氧同位素成份!這下子不只礦物組成相似,連氧同位素都完全一模一樣。這更加讓我們相信,彗星中的某些小微塵,是和隕石中的某些礦物顆粒是完全相同的。所以,這和前面所寫的相呼應,在太陽系早期勢必要有大尺度的徑向轉移 (radial transport),從內太陽系到小行星帶再到庫伯帶以外,這一連串的巧合才有可能發生。

  這些發現,最感到振奮的我想莫過於前清大徐暇生校長,李太楓老師,尚賢老師等人。他們的X-wind模型,基本上為礦物學與同位素上的巧合,提供了一個物理背景。這些高溫顆粒形成在吸積盤的端點,非常靠近原始太陽 (~0.05AU),後來太陽磁場與吸積盤面的交互作用,產生了兩極噴流和盤面上一股強力的”風”,將這些高溫礦物帶離到小行星帶甚至更遠的庫伯帶,再和其他物質堆積形成小行星或是彗星。

  其實,以上所說,都只是星塵號相當初步的一個結果。還有很多尚未被探索的顆粒等待科學家們去了解,不管是礦物學,光譜學,同位素分析,還是其他各種各樣稀奇的方法。在台灣,李太楓老師所領導的團隊,也正在為分析這些標本而磨刀霍霍。希望在不久的將來,台灣也能夠在這個前無古人的實驗室彗星塵分析競賽中打響知名度。