地球晶体中可能保存了银河旋臂的痕迹

摘要：如果问，是什么塑造了地球，多数人大概会想到火山啦、地震啦、巨型的大陆数万数亿年间缓慢地分开或聚合啦，还有彗星的撞击也挺重要的，看看布满陨石坑的月亮！

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作者：Chris Kirkland & Phil Sutton, The Conversation

翻译：贺玉影

校对：牧夫校对组

编排：陶邦惠

后台：朱宸宇

原文链接：

银河的旋臂 | 图片来源：NASA/JPL-Caltech

如果问，是什么塑造了地球，多数人大概会想到火山啦、地震啦、巨型的大陆数万数亿年间缓慢地分开或聚合啦，还有彗星的撞击也挺重要的，看看布满陨石坑的月亮！

但有没有可能，地球的地质史还被纪录在遥远的星星上？尤其是，在银河的旋臂中？这是个大胆的想法，最近有个研究把天体物理学联合到地质学，响应了这个想法。

目前为止，这些具有争议的想法都是建立在模型的基础上的，地球地质记录的间断和太阳系银河轨迹的不确定性限制了它们的研究。

但我们在本周发表于《物理评论研究》上的新研究，采用了另一种办法。我们把银河中氢的分布和地球上远古晶体的化学指纹做了对比，对比的结果支持这个观点：地壳可能曾经受到太阳系绕行银河系之旅的影响。

借氢来解读银河

天文学家常使用中性的氢，最简单的原子，仅包含一个质子和一个电子，来作为宇宙的标记物。

这一原子氢会发射出波长为21厘米的射电波，它能穿透银河中常常遮挡我们视线的尘埃和气体。这些辐射，来自氢密度高的区域，让我们看到了银河巨大的旋臂，用可见光的望远镜可是看不到它们的。

银河的旋臂并非实体，相反，它们是密度波（density waves）——就像恒星、气体和尘埃的交通堵塞，它们以比单体恒星要慢的速度围绕着银河的星系盘运行。

因为太阳系围绕银河系中心的速度比旋臂要快，所以它会周期性地赶超旋臂，差不多是每1.8到2亿年一次吧。从旋臂中穿过会增加撞击地球的彗星和小行星的数量。

锆石晶体：微型时间胶囊

我们要怎样确定地球真的遭受到了这些星系邂逅的后果呢？答案可能藏在锆石里。

锆石是一种坚硬的矿物，在地壳中很常见，能存在数十亿年。

锆石晶体于岩浆中形成，像微型的时间胶囊。它们不光能测定年代，它们还携带了关于其生长年代的地球的化学线索。

在这些晶体的内部，氧原子以轻微不同的形式存在，它们被称为同位素。同位素具有相同的化学性质和不同的质量。这些同位素像追踪器一样，可以显示出岩浆是来自地球的深处还是曾经接触过地表水。

当太阳系绕银行系运行时，它穿过氢气相对密集的旋臂。如果在氢原子密度高的时期，锆石当中会出现异常多样的同位素氧原子，那么这意味地壳在形成的阶段，曾被某种事物扰乱过它原有的平衡。

将地球岩石与银河系地图相配

这次的新研究直接比较了锆石同位素记录和太阳系银河轨道的射电频率测定氢密度。结果是？令人震惊的强相关。

太阳系穿越旋臂的时间段（旋臂内氢密度更高）恰好匹配了锆石中氧的同位素变异性的激增。

换句话说，当地球深陷“银河开天地”的造星旋臂时*，地壳好像也正处在“混沌初开”的状态呢。

*旋臂是主要的恒星形成区域，故作者描述为“造星”（star-forming）。

这是一张银河系旋臂的图片。当太阳系穿越银河系的旋臂时，撞击地球的彗星和小行星数量可能会增加 | 图片来源：NASA/JPL-Caltech/R. Hurt

地壳上的银河指纹

怎么解释这个关联呢？

一种观点认为，当太阳系穿过旋臂时，可能会扰动遥远的冰冻区域——奥尔特云。它是一个巨大的彗星库，比冥王星还要远。这样，一些彗星可能会朝着地球冲过来。

克里斯·柯克兰使用离子微探针检测锆石矿物颗粒的年代 | 图片来源：C.L.柯克兰

每次撞击都会产生巨大的能量——足以融化岩石，造成地质上的巨变，在地壳上留下长久的标志。

关键在于，这一纪录可保留数十亿年，比地球上尚存的撞击坑要长久得多。撞击坑常常因为侵蚀或板块漂移而消失不见。

因此，锆石也许可以提供一个深时*的档案库，记录我们无法直接靠天文观测来观察到的星系影响。

*深时（deep-time）是地质时间的概念，其跨度达数十亿年，最初于18世纪作为科学思想提出，20世纪经约翰·麦克菲等作家推广普及，其影响已延伸至地质学、进化生物学、气候科学、哲学、教育学及环境伦理学等多元领域。

宇宙的联结

如果地球的地质的确和银河的节奏相呼应，那我们对行星演化的认识又得到了拓展。它告诉我们，要全面理解地球，我们得超过地球本身，去看到银河的广阔构造，它周期性地重塑了我们太阳系的环境。

辨认行星地质当中的天体物理指纹能给我们提供地壳发展、宜居性、甚至生命起源的新线索。当然了，要保持警觉，关联性并不总是意味着因果关系，而且分清穿越银河旋臂导致的结果和地球本身进化的过程也很困难。但眼前的证据说服力很强，足以令人正视。目前，锆石晶体，这种比一粒沙还要小的微型颗粒，正帮助着我们窥视地球和宇宙之间的联系。

克里斯·柯克兰（澳大利亚科廷大学地质年代学教授）与菲尔·萨顿（英国林肯大学天体物理学高级讲师）