小行星早期的熱源來(lái)自哪里？

在地球上，地幔和地殼中包含了一些半衰期較長(zhǎng)的放射性元素，例如，鈾-238、鈾-235、釷-232和鉀-40。它們發(fā)生衰變之后，會(huì)釋放出熱量，成為地球內(nèi)部的主要熱源。不同于地球，大部分小行星都是些半徑小、比表面積（表面積和體積的比例）大的“小可愛(ài)”。假設(shè)長(zhǎng)半衰期的放射性元素也是小行星內(nèi)部的主要熱源，小行星內(nèi)部產(chǎn)生的熱量很快就會(huì)散失。即便是第二大主帶小行星灶神星，模擬計(jì)算的結(jié)果也不例外。然而，現(xiàn)有的研究顯示超過(guò)90%來(lái)自小行星帶的隕石記錄了熔融事件或者顯著的熱變質(zhì)事件。雖然撞擊作用也能夠貢獻(xiàn)熱量，但是模擬計(jì)算結(jié)果顯示其不足以引起全球性的熱變質(zhì)作用。那么小行星的熱源主要來(lái)自哪里呢？

小行星：其實(shí)我也曾被溫暖過(guò)

○ 球粒隕石的變質(zhì)作用

球粒隕石是最常見(jiàn)的隕石類型，超過(guò)隕石總量的92%（統(tǒng)計(jì)截止至2015年7月）。球粒隕石中通常含有小小的球狀物質(zhì)，它們被稱作為球粒。球粒主要是由硅酸鹽礦物組成，尺寸從微米級(jí)到毫米級(jí)大小不等。球粒是由45.6億年前從太陽(yáng)星云中凝聚出的物質(zhì)形成的；隨后，在經(jīng)歷吸積、增生作用后，形成了小行星。因此，球粒是解密太陽(yáng)系形成、演化和物質(zhì)組成的鑰匙。小行星形成以后，球粒隕石會(huì)經(jīng)歷熱變質(zhì)或水化蝕變。

球粒隕石的熱變質(zhì)程度劃分通常以數(shù)字表示，根據(jù)熱變質(zhì)程度的高低劃分為從3型到6型。其中，3型球粒隕石受到熱變質(zhì)作用的影響最?。ú怀^(guò)400-600℃），基本保存了最原始的礦物種類、成分（包括揮發(fā)分物質(zhì)、前太陽(yáng)顆粒等）和巖石結(jié)構(gòu)（球粒結(jié)構(gòu)）；從4到6型，球粒隕石的熱變質(zhì)程度逐漸增強(qiáng)（溫度可達(dá)600到950℃），太陽(yáng)星云冷卻凝結(jié)的原始物質(zhì)和結(jié)構(gòu)逐漸消失，基質(zhì)重結(jié)晶程度和礦物成分均一化程度增強(qiáng)。這有點(diǎn)類似牛排的熟度劃分——熟度越高，牛排中心的溫度越高。

部分球粒隕石還會(huì)經(jīng)歷水化蝕變作用。為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字不僅僅被用來(lái)劃分熱變質(zhì)程度，還被用來(lái)記錄球粒隕石的水化蝕變程度。經(jīng)歷水化蝕變作用的球粒隕石會(huì)形成大量的含水礦物，按照水化蝕變等級(jí)從低到高分為2型和1型。1型和2型球粒隕石中的水含量可分別高達(dá)11 wt.%和9 wt.%。

光學(xué)顯微鏡單偏光下3-6型普通球粒隕石，其中3-5型中球狀礦物集合體為球粒；6型中基本無(wú)球粒結(jié)構(gòu) ▏圖源：左psrd.hawaii.edu； 右 zhihu.com。

○ 小行星的熔融分異

如果小行星發(fā)生了完全熔融，那么原始的球粒結(jié)構(gòu)就會(huì)消失。金屬和硅酸鹽會(huì)發(fā)生熔融形成不混溶熔體，并因?yàn)槊芏炔畎l(fā)生分離。密度較高的鐵鎳液體會(huì)沉入小行星核部，并且發(fā)生緩慢冷卻結(jié)晶；在鐵鎳核部的上部，密度較低的硅酸鹽物質(zhì)會(huì)形成殼幔部分。這就類似水油分離實(shí)驗(yàn)：把水和油充分?jǐn)嚢?，靜置幾分鐘，水重在下，油會(huì)浮在水的上面。如果幔部發(fā)生部分熔融，會(huì)熔出鎂鐵質(zhì)的巖漿。大部分鐵隕石來(lái)自于熔融的小行星的核部；很多石鐵隕石，例如橄欖隕鐵，來(lái)自于核幔邊界；還有一些隕石來(lái)自于小行星的殼部，如鈣長(zhǎng)輝長(zhǎng)無(wú)粒隕石（eucrites）。

分異型小行星剖面示意圖 ▏圖源：ehman.org

26Al牌暖寶寶：專注呵護(hù)太陽(yáng)系早期小行星

是什么使看上去“孤單寂寞冷”的小行星也曾感受過(guò)溫暖？這里向大家隆重介紹專門為太陽(yáng)系早期小行星量身定制的26Al牌暖寶寶！小行星“小可愛(ài)”們都知道它很棒！

○ 生熱原理：短壽期放射性核素26Al衰變生熱

六十五年前，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得者哈羅德·克萊頓·尤里認(rèn)為短壽期放射性核素26Al可以通過(guò)衰變放熱使小行星在早期迅速升溫加熱。26Al比我們熟知的自然界中的鋁（27Al）少一個(gè)中子。短壽期放射性核素26Al的半衰期是73萬(wàn)年左右，比鈾（U）、釷（Th）等放射性核素半衰期短數(shù)千倍。它相當(dāng)不穩(wěn)定，會(huì)衰變成鎂（26Mg），同時(shí)釋放出能量。因?yàn)?6Al衰變的很快，少量26Al則能在短時(shí)間內(nèi)釋放大量熱，并在熱量散失之前使小天體迅速增溫。由于26Al很快就衰變殆盡，26Al的衰變對(duì)小行星的加熱作用只能發(fā)生在太陽(yáng)系早期最初的幾百萬(wàn)年間。

26Al衰變?yōu)?6Mg的過(guò)程：26Al的一個(gè)質(zhì)子p轉(zhuǎn)化成中子n，同時(shí)釋放出一個(gè)正電子e+和一個(gè)電子中微子νe（β+衰變），形成一個(gè)激發(fā)態(tài)的26Mg*；激發(fā)態(tài)的26Mg*發(fā)射γ射線，形成穩(wěn)定態(tài)的26Mg。 ▏圖源：sci.esa.int

難熔包體主要由富含鈣和鋁的礦物組成，是球粒隕石的重要組成部分。它們形成于高溫條件（不低于1180℃），是太陽(yáng)系最早形成的固態(tài)物質(zhì)。由于難熔包體富含Al且形成時(shí)間極早，因此它們是26Al的主要載體；科學(xué)家們推測(cè)早期太陽(yáng)系的26Al/27Al的初始比值應(yīng)該在5×10-5左右。假設(shè)太陽(yáng)星云中26Al的分布是均勻的，可以根據(jù)26Al/27Al比值限定球粒的形成時(shí)間。

○ 小行星的26Al牌暖寶寶使用情況

那么26Al牌暖寶寶使用效果如何呢？不得不說(shuō)，是因小行星而異的。如果小行星形成的時(shí)間較早，26Al的含量足夠高，小行星很可能在形成后發(fā)生完全熔融（如灶神星）。相反，如果小行星形成的時(shí)間較晚，26Al的含量較低，放射性同位素衰變生熱不足夠使小行星發(fā)生完全熔融（如球粒隕石的母體）。

太陽(yáng)系早期小行星和組成物質(zhì)的時(shí)間軸[4]

對(duì)于普通球粒隕石母體來(lái)說(shuō)，26Al的衰變放熱能夠使其母體發(fā)生熱變質(zhì)。其中，比較經(jīng)典的熱變質(zhì)模型是“洋蔥層模型”：由于小行星內(nèi)部比表面冷卻速度慢，而外部比內(nèi)部熱散失速率高，小行星的內(nèi)部會(huì)形成熱變質(zhì)程度較高的巖石（如6型）；從6型到3型球粒隕石的變質(zhì)程度依次降低，會(huì)從小行星內(nèi)部到表面以同心層狀分布，形成所謂的“洋蔥層”結(jié)構(gòu)。

（左）未分異型小行星“洋蔥層”模型剖面示意圖[3]（右）3型球粒隕石中富鈣鋁難熔包體

普通球粒隕石中球粒的26Al/27Al的初始值相對(duì)較低（~1×10-5），說(shuō)明它們?cè)陔y熔包體形成2百萬(wàn)年以后才形成。在球粒形成后，球粒隕石母體增生形成。假設(shè)普通球粒隕石小行星母體的直徑是100km，熱模擬演化模型顯示小行星內(nèi)部的最高溫度可達(dá)1000℃左右，并且可以保持超過(guò)1千萬(wàn)年的內(nèi)部高溫狀態(tài)。CO型碳質(zhì)球粒隕石中球粒的26Al/27Al初始值是普通球粒隕石的一半左右（~3.8×10-6）。假設(shè)碳質(zhì)球粒隕石母體的直徑是80km，其熱變質(zhì)溫度僅能達(dá)到670℃，與觀察到的CO型碳質(zhì)球粒隕石的熱變質(zhì)程度基本一致。

結(jié)束語(yǔ)

短壽期放射性核素26Al的放射生熱主要在小行星剛形成的幾百萬(wàn)年發(fā)揮作用。盡管作用的時(shí)間很短，但是小行星不再“孤單寂寞冷”。小行星的熱變質(zhì)作用、熔融分異作用改造了小行星的結(jié)構(gòu)，形成了不同成分的巖石，使太陽(yáng)系變得更加多姿多彩。

參考文獻(xiàn)

[1] Rubin A. E. 2005. What heated the asteroids? Scientific American 292:80–87.

[2] Huss G. R., Rubin A. E., and Grossman J. N. 2006. Thermal metamorphism in chondrites. In Meteorites and the early solar system II, edited by Lautetta D. S. and McSween H. Y. Jr.Tucson, Arizona: The University of Arizona Press. pp. 567–586.

[3] Norton O.R. and Chitwood L. 2008. Field Guide to Meteors and Meteorites. Springer. pp. 1-302.

[4] Wang K. and Korotev R. (2019) Meteorites, in Oxford Research Encyclopedia of Planetary Science, Small Bodies.

作者簡(jiǎn)介

李曄，中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)天體化學(xué)和行星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室助理研究員。研究領(lǐng)域：隕石學(xué)和天體化學(xué)。

主編：毛瑞青

輪值主編：李婧

編輯：王科超、高娜