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撰文╱鲁宾（Alan E. Rubin）
翻译╱邱淑慧
提供／科学人
我同情天文学家。无论是藉由电脑萤幕上的影像，或是冷冰冰的光谱仪处理过的光波，都只能远远地观察他们所热爱的恆星、星系和类星体。而我们这些研究行星与小行星的，却常常可以亲手抚触心爱的天体，探索它们最深层的秘密。大学时我主修天文学，曾经在许多个寒冷的夜晚，透过望远镜观看星团和星云，所以我可以作证：手上拿著小行星的碎片能在情感上获得更大的慰藉，让我们与看似遥远抽象的一切有了真实的连结。
最吸引我的小行星碎片是球粒陨石，自太空坠落的陨石中有超过80%属於此类，命名缘由是因為内部含有球粒，也就是曾经熔融的物质所形成的小珠，通常比米粒还小，这种陨石在太阳系早期、小行星成形前就已存在。在显微镜下观察球粒陨石的薄片，看来是如此美丽，丝毫不逊色於康丁斯基（Wassily Kandinsky）等抽象艺术家的创作。
球粒陨石是科学家所碰触过最古老的岩石。放射性定年结果可追溯超过45亿年前，那时行星还未形成，太阳系还只是一团处处充满扰动、由气体与尘埃构成的旋转圆盘，天文学家称為太阳星云。球粒陨石的年龄与成份显示，它们与行星、卫星、小行星和彗星一样，都形成自太阳系的初始物质。大多数研究人员相信，球粒的形成，是因為高能量使富含硅的尘埃团块熔化成许多液滴，这些液滴迅速凝固并且附著在尘埃、金属与其他物质上，形成球粒，后来聚集形成小行星，小行星间的高速撞击使它们碎裂，最后有些残骸就掉到地球上成為陨石。这些陨石吸引我的并不只是美丽的外观，而是它们可是太阳系诞生时所留下的化石，可提供探索地球形成时的状态很重要的线索。
然而就如同人类学家所知，发现化石只是重建歷史的第一步，还必须把来龙去脉交代清楚。不过要推断不同球粒陨石的来源和诞生环境是有困难的，因為对於这些岩石的详细构造，我们所掌握的资料少得可怜。我在几年前针对球粒陨石的物理性质做了一次有系统的全面检视，填补了许多关键性的空缺。根据这些资料，我建立了一个大致的图像，描述球粒陨石所源自的古老星云构造。
虽然只是粗略的图像，但值得注意的是，图像中的尘埃分佈情形，与某些金牛座T型星（T Tauri）的恆星系统相似。金牛座T型星有不寻常的亮度变化，而且有厚重的大气笼罩，因此被认為是年轻的恆星（或主序前星），多数有尘埃盘环绕。太阳星云的尘埃图像与许多金牛座T型星系统的构造吻合，这项结果支持一个说法，那就是太阳系这类行星系统的前身就是金牛座T型星系统。因此球粒陨石不但让我们可以深入推测太阳系的过去，也提供了对银河系其他年轻恆星系统的深入了解。同样地，当科学家探究这些系统的物理性质时，也会对太阳系的小行星和行星的形成过程有更多了解。
球粒陨石的特性
想要分析球粒陨石来探索太阳系的原始样貌，行星科学家首先得準确地衡量岩石的属性。研究人员把球粒陨石分成12个基本类型，根据的特性有：整体的化学组成、混合的同位素（质子数相同但中子数不同的元素）、球粒的大小、数量及类型，以及紧密包覆著球粒与其他物质的尘埃基质多寡。因為每个类型的球粒陨石都有不同的物理、化学与同位素特性，因此一定是来自不同的小行星。為了解释不同类型的球粒陨石最初是如何形成，研究人员发展出许多富有想像力的模型，其中牵涉到气体扰动、磁场以及落入星云中央盘面上的粒子速度等。然而，最后往往得到一个模糊的结论，就是各种球粒陨石是在「不同的情况」下形成的。
因為希望可以更确切掌握到底是什麼样的不同情况，我从2009年开始埋首大量文献资料，想要建立一个表格，列出球粒陨石主要类型的必要特性。一旦我手上有这样的表格，就能找出每种特性之间的相关性，或许能揭示每个类型的歷史。但结果我所建立的表格中有超过一半是空格，看来有兴趣蒐集这类资料的研究人员并不多。
於是唯一的选择就是，我自己来。為了完成这个目标，我把自己定在显微镜前，检视了分属不同类型的53个球粒陨石、共91片的岩石薄片。厚度仅30微米的薄片中，许多矿物变得能够透光，於是我们得以研究它们的光学性质。从这些样本我们看到，球粒有各式各样的大小、形状、质地和顏色。分析数千个球粒肯定是很繁琐的工作，但是这个在「显微天文学」上的坚持，让我在短短几个月内把表格填满了。我的发现并不能完全解决「不同情况」的难题，但是这个结果确实能够更广泛、更完善地解释，不同类型的球粒陨石是来自太阳星云的何处，以及它们的局部环境如何。
首先来看看一种较少见的种类——顽火辉石球粒陨石，仅佔地球上发现的球粒陨石的2%。这些岩石通常是根据含量最多的矿物：顽火辉石（MgSiO3）来命名的，而且该矿物有两种型式，依据含铁量的高低分别标示為EH和EL。科学家发现，这些球粒陨石中含有丰富的氮、氧、鈦、铬、镍的特定同位素，和地球及火星相似，因此他们推论顽火辉石球粒陨石可能形成於火星轨道以内，与其他球粒陨石类型被推论出的生成地点比较起来，显然比较靠近太阳。
第二种称為普通球粒陨石，共有三个不同但密切相关的群组，依照铁的含量和型式分别标示為H、L和LL。「普通」指的是出现频率，它们共佔所发现陨石的74%。这三类陨石的数量之多，显示它们在太阳系中的形成区域，受到的重力会倾向把陨石丢到地球上来。
美国加州大学洛杉磯分校的华生（John Wasson）曾经提出，普通球粒陨石是来自小行星带（位在火星与木星轨道之间）中心朝向太阳的一侧。小行星与太阳的距离约是地球与太阳距离的2.5倍，也就是2.5天文单位（AU），12年会绕太阳公转三圈，木星距离太阳5.2天文单位，12年绕太阳公转一圈。这样的共振表示木星的巨大重力会经常拉扯这些小行星，把许多小行星给拉到内太阳系。瑞典的科学家发现，有数十个普通球粒陨石是存在於年龄4亿7000万年的岩石内，这个跡象显示，在地球46亿年的歷史中，有超过1/10的岁月承受著球粒陨石的攻击。
第三种是极為罕见的鲁木路提（Rumuruti）球粒陨石，或称為R球粒陨石，目前只在肯亚的鲁木路提发现过。这种陨石有许多化学性质与普通球粒陨石相似，但是含有较多的基质，而且氧17相对於氧16的比率明显偏高。星云的高温有助於平衡同位素的丰度，因此当距离太阳越远，同位素的不平衡就越容易保留下来。R球粒陨石的同位素如此不平衡，可见其形成区域比普通球粒陨石距离太阳还远。
另一方面，高温也会破坏有机化合物，因此，比上述三种含有更多有机化合物的碳质球粒陨石，应该比R球粒陨石离太阳更远。碳质球粒陨石又可分為六个主要类型，根据它们的化学、同位素和构造等特徵，各自可以具体分配到星云的特定位置。
尘埃透露的讯息
除了化学组成之外，球粒陨石的内部结构也会显示出形成时环境的尘埃量。在太阳系演化的每个过程中，尘埃一直都是关键。太阳与行星所源自的初始星云刚开始收缩时，尘埃颗粒变得更能有效捕捉红外辐射，使星云中心温度上升，后来促成原恆星的形成。接著，尘埃以及外围的冰落入星云的中央盘面，并且聚集成较大的团块，最后形成多孔隙的物体，也就是微行星，大小从数公尺到数十公里都有。这些微行星中有些会熔化。而行星就是由熔化与未熔化的微行星组合而成，彗星和小行星则比较可能是由未熔化的微行星吸积而成，因此组成成份较均匀。
有个线索可以知道特定类型的球粒陨石形成区的尘埃丰度，就是在球粒中有尘埃球壳包围的硅质核心。例如在某些碳质球粒陨石的球粒中，通常会有一个核，或是「主要的」球粒，外围包裹著成份类似但曾经熔融的物质球壳。通常这个第二层的壳层本身也被称為火成环圈的第三层外壳包围，第三层的矿物颗粒比中心核的矿物颗粒细小许多。
许多陨石研究人员认為，第二壳层的產生，是因為原本的球粒在最初的熔化后凝固，会產生一个多孔隙的尘埃壳层，在经歷第二次中等能量的事件时，外壳会熔化但内部的球粒不会。后来，陆续发生几次能量较低或是持续时间较短的事件，就產生了火成环圈，这是很简单的道理。但是，各种球粒陨石中含有许多这样层层外壳球粒的，看起来是形成於多尘埃的环境中。
如果在多次熔化之间，球粒是沉浸在尘埃中，自然会產生大颗的球粒，有著厚厚的第二壳层和火成环圈。因此，这样的特徵显示球粒陨石形成时的环境有著大量的尘埃，包裹在尘埃中的球粒也会冷却得比较慢，因為热无法快速辐射出来，而冷却速度较慢也会促使钠和硫等易挥发元素挥发。虽然大多数的挥发物质已经凝固在邻近的尘埃上（最后结合成球粒陨石），但还是会遗失一部份。球粒陨石若含有较大球粒且球粒被尘埃包围，其内部钠和硫的成份会比形成於缺乏尘埃环境的球粒陨石低。我发现事实的确是如此。
将此与其他有关母小行星预设位置的资讯结合，我发展出一个粗略的图形，说明整个早期太阳系的尘埃丰度。根据推测，顽火辉石球粒陨石是形成於火星轨道朝向太阳的区域，那裡一定是个缺乏尘埃的环境；球粒很少具有壳层或环圈，即使有环圈也很薄。普通球粒陨石和R球粒陨石，与太阳的距离远於顽火辉石球粒陨石，呈现出较多有尘埃存在的特徵，例如，具有火成环圈的球粒比例，以及环圈的厚度，都比顽火辉石球粒陨石来得大。
有些碳质球粒陨石有著最大的球粒，且含有最多具第二壳层与火成环圈的球粒（分别是CR、CV和CK三类型），在它们所佔据的区域，尘埃浓度显然达到最高，然后往另两个距太阳较远的类型（CM和CO）的位置慢慢减少，这些类型的陨石所含有的球粒小得多，含有第二壳层和火成环圈的比例也少很多。尘埃的总量继续往最遥远的碳质球粒陨石（CI）附近减少，这类陨石根本没有球粒。（但它们还是球粒陨石，因為主要的分类标準是化学成份与太阳的非挥发性元素相似。）
这个星云图像中的尘埃分佈情形，令我推论，早期的太阳系可能与我们现在所观测到的金牛座T型星类似，这类年轻恆星就像早期的太阳，还未进入稳定氢融合的主序阶段。尘埃图样跟许多已知环绕在金牛座T型星周围的原行星盘很像。因為这些特定圆盘的质量（约是太阳质量的2%），与太阳星云盘面的推估质量接近，因此看来这些盘面提供了很好的模型，让我们能了解星云中形成球粒与组成球粒陨石的阶段。
激烈的争议
究竟是什麼样的过程產生了球粒，仍然是未解的问题。任何关於球粒形成的模型，必须要先能解释反覆熔融的现象。该模型必须能广泛应用，但又不能导致每种球粒陨石类型都產生球粒。不幸的是，没有具说服力的加热机制可以说明所有球粒的特性。这麼多球粒有著多次熔融现象，因此排除了所有一次性的加热事件，例如超新星爆炸的冲击波或来自宇宙深处的γ射线爆发。热源必须足以把某些球粒（包含直径数毫米的）整颗熔化，但只能熔化其他球粒的外围尘埃薄层，不能破坏内部。曾有研究人员提出，应是一个重复且具脉冲性的热源，例如闪电，但是对於在太阳星云中產生闪电的可能性，并没有共识。
现在最為天文物理学家接受的球粒形成模型，是冲击波加热了星云。冲击波的形成，举例来说，可能是星云外的物质掉入星云内部。冲击波在含有尘埃的星云内部传递时，產生的热足以造成球粒熔化。然而，依赖冲击波的模型有其缺陷。首先，在原行星盘中的冲击波还有待观察，它们的存在未经证实。其次，冲击波会同时加热大量的球粒，看来是无法只熔化个别球粒的外表（以形成第二壳层与火成环圈）而使球粒内部维持低温。第三个明显的缺陷则是，冲击波是局部的现象，似乎不太可能大范围地使星云各区域產生球粒。球粒形成的主要机制依然是个谜团。
50年前，陨石专家伍德（John A. Wood）观察到：「直到最近我们才开始研究球粒的实体。它们包含了丰富的资讯……可探究曾经作用在它们身上的过程。我们或许可以研究太阳星云的性质与演化、行星的形成、太阳演化的某些阶段，以及这所有过程的时间尺度。」半个世纪过去了，科学家仍然有许多有待学习之处，但是太阳系初生时这些信差所提供的图像，终究会成為关注的焦点。
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