近日，以加拿大多倫多大學(xué)地球科學(xué)系的Sara Mazrouei為首的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過分析月球的小天體撞擊，發(fā)現(xiàn)近2.9億年里地球和月球遭受的小天體撞擊頻率是之前的2.6倍。這一成果發(fā)表于2019年1月18日的《科學(xué)》雜志。
以月為鏡
想要追溯地球在過去的四十多億年里被小行星和彗星的撞擊歷史是非常困難的，因?yàn)榧词故悄切┛梢源┻^大氣層成功撞上地球陸地的小天體，它們在地球表面留下的痕跡——撞擊坑，也絕大多數(shù)都被之后的板塊活動(dòng)、火山、地震等等地質(zhì)活動(dòng)以及生物活動(dòng)抹去了。即使有少數(shù)還沒有被完全抹去痕跡的撞擊坑，也很難被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。
山清水秀的地球上，目之所及看不到一個(gè)隕石坑
阿波羅17號拍攝的“藍(lán)色彈珠”。
目前為止，地球上一共…只確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了190多個(gè)隕石坑。直徑在10公里以上的，包括去年新確認(rèn)的格陵蘭島Hiawatha隕石坑，一共也才只確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了80個(gè)，而且其中很多早已被嚴(yán)重侵蝕，很難從地表看到痕跡了。
地球上目前已發(fā)現(xiàn)的大型隕石坑分布（不完全統(tǒng)計(jì)），注意圓圈大小并不是實(shí)際的隕石坑大小，但正比于實(shí)際隕石坑的大小。
等等，你咋知道這是因?yàn)榈厍蛏洗蟛糠肿矒艨佣急荒ㄈチ耍皇潜緛磉@么少呢？因?yàn)槲覀冇?strong>天然的對照組——地球的鄰居月球。雖說特別小的撞擊體會(huì)被地球的大氣層“拒之門外”，但對于能夠穿過大氣層的稍大一些的撞擊體來說，撞月球和撞地球的幾率是差不多的（根據(jù)理論計(jì)算，地球上單位面積受到的小天體撞擊頻率是月球的近2倍），也就是說，地球上的撞擊坑密度理論上應(yīng)該有月球的2倍，那實(shí)際上呢…
表面積只有3793萬平方公里（地球的7.4%）的月球上，直徑大于20公里的隕石坑有近7000個(gè)，直徑大于1公里的隕石坑…emmm不是天文數(shù)字，也就…一百多萬個(gè)吧。
（左）典型的月球高地地貌，撞擊坑遍布。（右）月球上直徑大于20 km的撞擊坑分布。
當(dāng)然，地球上還有很多撞擊坑尚未被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)，但毫無疑問，被打成了篩子的月球已經(jīng)展現(xiàn)出了碾壓式的差距。所以，地球上大部分撞擊坑確實(shí)已經(jīng)被抹去了，一起被抹去的，還有那些被撞擊坑記錄下的地球歷史。
那么，直接追溯月球的撞擊歷史，然后來反推地球的情況不就得了么？事實(shí)上科學(xué)家們確實(shí)就是這么做的。
那些年，那些月球告訴我們的事
1969-1972年，阿波羅11、12、14、15、16、17號成功實(shí)現(xiàn)了載人登月，并在月球表面完成了一系列至今尚無來者的實(shí)地探測。阿波羅任務(wù)帶回的巖石樣品讓我們可以通過同位素定年來測量月球不同區(qū)域的形成年齡。
從不同巖石樣品的年齡中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)月球在約38.5億年前似乎經(jīng)歷了一波突然而劇烈的小天體撞擊，而在那之后，內(nèi)太陽系遭受的暴擊大大減少了，直到今天。很顯然，如果真的有過這樣的事件，那不可能只有月球經(jīng)歷了——內(nèi)太陽系所有的大型巖質(zhì)天體應(yīng)當(dāng)都不能幸免，包括地球。這就是著名的晚期大撞擊（LHB）假說。
（左）阿波羅號和月球號樣品顯示的幾個(gè)著陸區(qū)的絕對年齡；阿波羅樣品的定年結(jié)果顯示月球乃至整個(gè)內(nèi)太陽系在約38.5億年前可能經(jīng)歷過一波突然而劇烈的小天體撞擊，而從20億年前左右開始直到現(xiàn)在，撞擊量趨于穩(wěn)定。
關(guān)于晚期大撞擊假說，至今仍然有很大的爭議。阿波羅任務(wù)帶回的樣本真的足夠可靠嗎？畢竟我們手頭的樣本那么有限。晚期大撞擊真的發(fā)生過嗎？或者即使真的發(fā)生過，又真的是一次短暫的驟發(fā)事件嗎？
但無論如何，有一點(diǎn)是大家公認(rèn)的：內(nèi)太陽系近10億年受到的小天體撞擊頻率遠(yuǎn)小于三四十億年前的時(shí)候，而且近10億年里受到的撞擊頻率較為穩(wěn)定，沒有很大變化——這也是科學(xué)家們用來建立地月撞擊歷史的一個(gè)基本假設(shè)。
來自地球的矛盾：我不一樣，是被“抹掉”了么？
然而，地球上目前確認(rèn)的隕石坑年齡分布并不符合這個(gè)基本假設(shè)：地球上目前確認(rèn)的80個(gè)直徑大于10公里的隕石坑里，形成于近3億年的有近50個(gè)，而形成于3-10億年前這一時(shí)期內(nèi)的隕石坑只有約20個(gè)。似乎，近3億年的小天體撞擊在近10億年這個(gè)時(shí)間段里特別多？當(dāng)然不能這么草率地下結(jié)論啦。更加容易被接受的解釋是：越古老的撞擊坑經(jīng)歷了越多越久的侵蝕作用，也就越容易被“抹掉”，所以越古老的隕石坑留下的數(shù)目越少，這再正常不過了。
所以我們?nèi)绾尾拍苤朗堑厍蛏?-10億年前這段時(shí)間里的撞擊坑（也就是小天體撞擊）確實(shí)少，還是被抹掉了呢？
唯一可以作證的，還是月球。如果可以把月球上近10億年里形成的大小相當(dāng)?shù)淖矒艨幼鲆粋€(gè)同樣的對比，不就知道到底是哪種了么？但問題是，一個(gè)地球上的撞擊坑形成于什么時(shí)候，可以通過采集這個(gè)撞擊坑對應(yīng)的撞擊熔融物，通過放射性定年來精確知道。但月球呢？很遺憾，雖然阿波羅任務(wù)帶回了一些月球樣本，但這只能幫助我們了解月球上少數(shù)幾個(gè)區(qū)域的年齡，至于某個(gè)特定撞擊坑的年齡——我們目前還無法直接且精確地測量…
如何知道一個(gè)月球撞擊坑的年齡？
在無法使用同位素定年方法的情況下，粗略估計(jì)一個(gè)撞擊坑的形成時(shí)間行不行呢？答案是可以的。月球這種幾乎沒有大氣層和地質(zhì)侵蝕的天體吶，就像一個(gè)天然的博物館——近30億年來的小天體撞擊留下的撞擊坑，大部分都被保留了下來，這些撞擊坑為我們判斷年齡提供了一個(gè)天然的標(biāo)尺。
一個(gè)區(qū)域里的撞擊坑數(shù)目越多（密度越高），說明這個(gè)區(qū)域越古老。那么同樣的道理，一個(gè)已經(jīng)形成的撞擊坑周圍，進(jìn)一步覆蓋的撞擊坑數(shù)目越多（密度越高），就說明這撞擊坑形成的時(shí)間越古老。
月球上的（左）阿里斯塔克斯撞擊坑和（右）第谷撞擊坑周圍的連續(xù)濺射毯（也就是被撞擊濺射物覆蓋的主要區(qū)域）上的撞擊坑密度對比，表明前者比后者要古老。
除了撞擊坑周圍更年輕的撞擊坑數(shù)目的多少之外，撞擊坑周圍的石塊多少也是一個(gè)標(biāo)志著撞擊坑形成年齡的顯著標(biāo)尺。一個(gè)足夠大的撞擊坑會(huì)擊穿月壤，撞入更深的基巖，這時(shí)就會(huì)挖掘和濺射出粗糙的石塊。也就是說，一個(gè)剛形成不久的（足夠大的）撞擊坑，周圍會(huì)有很多石塊，而隨著時(shí)間流逝，這些石塊慢慢破碎，進(jìn)而消失，10億年以上的撞擊坑周圍幾乎不會(huì)有石塊——簡而言之，一個(gè)撞擊坑周圍的石塊越多，表明這個(gè)撞擊坑越年輕。
月球靜海中兩個(gè)大小都是約500米的撞擊坑，左邊的周圍幾乎沒有石塊，右邊的周圍有很多小石塊，說明右邊的撞擊坑形成的時(shí)間更晚。
好的，所以把這些撞擊坑或者石塊都數(shù)出來就能推測原本的撞擊坑的年齡了！但…這也工作量太大了一點(diǎn)吧…有沒有更便捷的方法呢？還真有。石塊的多少，還對應(yīng)了這塊區(qū)域的熱輻射強(qiáng)度：石塊多的地方，熱慣量更大，而石塊少的地方（也就是月球表面的細(xì)膩月壤）熱慣量則小得多。熱慣量大的，溫度變化會(huì)小一些，于是到了晚上會(huì)更容易保持白天的溫度。也就是說：石塊多的區(qū)域，夜間會(huì)比周圍石塊少的月壤區(qū)域溫度高。
發(fā)射于2009年的月球勘測軌道飛行器LRO攜帶了一個(gè)熱輻射計(jì)Diviner，用它的熱紅外通道數(shù)據(jù)就可以計(jì)算月球表面各個(gè)區(qū)域的夜間溫度。
月球勘測軌道飛行器LRO示意圖。
然后通過夜間溫度可以計(jì)算這個(gè)區(qū)域的石塊所占的百分比（RA）。
月球上Giordano Bruno和Byrgius A撞擊坑通過Diviner計(jì)算的石塊百分比RA。
石塊越多的撞擊坑，年齡越小，Mazrouei和她的同事們就是通過這個(gè)方法確定了月球上111個(gè)形成于10億年以內(nèi)、直徑10公里以上的撞擊坑的年齡。
月球上的撞擊頻率確實(shí)增大了
在這111個(gè)撞擊坑里，56個(gè)形成于近2.9億年內(nèi)，而2.9-10億年前這7億年里只有53個(gè)撞擊坑——平均到相同的時(shí)間間隔里的話，相當(dāng)于近2.9億年里月球上的撞擊坑頻率是之前7億年里的2.6倍。
月球上10公里以上的年輕撞擊坑的（左）年齡分布和（右）密度對比。
這個(gè)2-3倍的差異和地球上隕石坑的年齡分布居然是吻合的！
地球上侵蝕速率其實(shí)也沒有那么快
另一方面，Mazrouei和她的同事們驚訝地發(fā)現(xiàn)，地球上近6.5億年的侵蝕速率其實(shí)也沒有那么快。一個(gè)輔證來自對地球大陸的侵蝕速率考察。來自同位素定年的結(jié)果顯示，穩(wěn)定的大陸上侵蝕速率最高也就2.5米/百萬年，也就是說在過去的6.5億年里最多侵蝕了1.6公里的垂直深度——并不足以抹掉直徑10公里以上（對應(yīng)的深度約有不足2公里）的地球隕石坑。
另一個(gè)輔證來自金伯利巖管的參照。金伯利巖是巖漿在地下淺層固化的產(chǎn)物，這些火成巖在地下可以形成1-2公里深的胡蘿卜形狀的巖管。最重要的是，這些金伯利巖管也和隕石坑一樣，會(huì)因?yàn)楦鞣N地質(zhì)作用而被侵蝕變淺。
金伯利巖管示意圖。繪制：于大錘
然而，作者對比了形成于各個(gè)地盾區(qū)內(nèi)的撞擊坑和600多個(gè)已經(jīng)有明確定年的金伯利巖管。
地球大陸各個(gè)地盾中的撞擊坑大小、年齡和金伯利巖管分布。
發(fā)現(xiàn)古生代以來（5.4億年至今）的這段時(shí)間里的金伯利巖管留存量都很高，表明這一時(shí)期的各種地質(zhì)侵蝕確實(shí)只有1公里深左右，不足以抹去1-2公里深的金伯利巖管，自然也同樣不足以抹去直徑10公里以上的地球隕石坑。
直徑10公里以上的撞擊坑和已有明確定年的金伯利巖的年齡分布，明顯可見地球上發(fā)現(xiàn)的大型隕石坑幾乎都在6.5億年以內(nèi)，而同時(shí)近6.5億年里各個(gè)地盾的金伯利巖管留存量也很高。另一方面，6.5億年之前幾乎沒有隕石坑和金伯利巖管。
地球：更頻繁的撞擊
總結(jié)一下就是：近2.9億年里月球遭受的小天體撞擊頻率是之前的2.6倍，而地球在近6.5億年里也沒有發(fā)生什么嚴(yán)重的侵蝕活動(dòng)。所以地球在近2.9億年里受到的隕石撞擊應(yīng)當(dāng)也和月球一樣，是之前數(shù)億年的2-3倍。而且雖然地球上絕大多數(shù)隕石坑都被抹去了，但這種侵蝕作用并沒有改變地球保留下來的撞擊坑的年齡分布。
不過，地球上前寒武紀(jì)的隕石坑幾乎沒有保留至今的，這可能意味著約6億年前的那次全球冰封（也就是雪球地球）事件規(guī)模之大，足以把幾乎所有的隕石坑一波帶走了。
科學(xué)家們推測，曾經(jīng)的地球曾經(jīng)至少經(jīng)歷過三次全球性的凍結(jié)和解凍，那時(shí)候整個(gè)地球變成了一個(gè)“雪球”。最后一次全球冰封發(fā)生約在6億年前。
至于為什么近幾億年的撞擊會(huì)變頻繁？作者認(rèn)為可能是小行星帶有一個(gè)或多個(gè)大型小行星碎裂，產(chǎn)生了大量碎片。
最后要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，雖說是“被多砸了幾倍”，但這種程度的增長和30-40億年前的晚期大撞擊完全不可同日而語——和那種boss級事件相比，現(xiàn)在的小天體撞擊都是毛毛雨啦。
至于被多砸了是好事還是壞事呢？很難講。撞擊頻次變多，那么大型撞擊事件的出現(xiàn)次數(shù)也會(huì)增多，比如，滅絕恐龍那樣的大撞擊會(huì)不會(huì)比我們原本預(yù)想的要頻繁？但另一方面，更多的滅絕事件會(huì)不會(huì)也可能會(huì)給某些物種提供更多誕生和繁榮的機(jī)會(huì)？
誰知道呢。
