追尋城市中的星塵

段景頤

從十多年前起，一位來(lái)自挪威的地質(zhì)學(xué)家開始在城市中尋找星塵——微隕石。

你可知道，每天都有大量肉眼無(wú)法察覺到的天體碎屑進(jìn)入大氣層，這些“星塵”就是微隕石。雖然這些星塵來(lái)自太空，但第一次發(fā)現(xiàn)它們的反而是海洋學(xué)家。

19世紀(jì)70年代，英國(guó)派遣“HMS挑戰(zhàn)者號(hào)”艦在大西洋和太平洋執(zhí)行海洋研究任務(wù)。HMS挑戰(zhàn)者號(hào)本為軍艦，為了執(zhí)行科考任務(wù)，人們拆除了艦上所有大炮，取而代之的是各種科研設(shè)備和一缸缸純酒精?？茖W(xué)家計(jì)劃利用這艘艦艇挖掘海床上的泥沙，并將泥沙中的活體生物用酒精保存起來(lái)，方便回國(guó)后解剖和進(jìn)一步研究。

在南太平洋科考作業(yè)時(shí)，船上的科學(xué)家們?cè)谀称Ｓ虻暮５装l(fā)現(xiàn)了大量鯨魚、鯊魚和海豚的骨架。從取回的樣本中，海洋學(xué)家驚訝地在鯨魚骨骼樣本中發(fā)現(xiàn)了許多微小的球狀金屬顆粒。在排除了種種可能性后，他們認(rèn)為這些小球只可能來(lái)自太空。因此，它們也被稱為“微隕石”。自從能夠探測(cè)天空中金屬物體的設(shè)備——雷達(dá)問(wèn)世后，人們才確信這些金屬小球的確來(lái)自太空。

微隕石的尺寸非常小。很容易被誤認(rèn)為塵埃顆粒。

什么是微隕石？

微隕石是一些在進(jìn)入地球大氣層后沒有完全燃盡并降落在陸地或海洋的微流星體，它們的直徑為50微米～2毫米，幾乎和塵埃一樣小。微隕石的大小和組成和隕石有很大不同，而且種類比后者更加豐富。雖然南極是微隕石的主要發(fā)現(xiàn)地點(diǎn)，但微隕石同樣也出現(xiàn)在史前沉積物周圍地區(qū)、偏遠(yuǎn)的沙漠和冰川等較少受到人類影響的地區(qū)。

微隕石中有一些是太陽(yáng)系中最古老的宇宙塵埃，它們是塵埃凝聚成行星之前的礦物殘?bào)w，其存在時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地球甚至太陽(yáng)的歷史。不了解微隕石的人會(huì)覺得它們不過(guò)是普通隕石的碎片，但這是不全面的。還有人認(rèn)為，微隕石是金屬球體。但事實(shí)上，完全由金屬構(gòu)成的微隕石只占微隕石總數(shù)的大約2%，大多數(shù)微隕石的成分為橄欖石和斜方輝石（也是構(gòu)成地幔的主要成分）。許多微隕石是超鎂鐵質(zhì)巖石，這是一種在地球上含量極少的巖石。因此，這能夠作為判斷微隕石身份的主要依據(jù)。微隕石可能誕生在太陽(yáng)系的邊緣、比冥王星還遙遠(yuǎn)的星際空間。人類對(duì)這些太空“寶石”的研究還剛剛起步。

微流星體威脅著航天器和宇航員的安全

2013年5月，美國(guó)氣象衛(wèi)星GOES-13被一顆尺寸小得難以置信的微流星體擊中了太陽(yáng)能電池陣列的支撐臂，撞擊產(chǎn)生的顛簸讓衛(wèi)星失去平衡，并導(dǎo)致衛(wèi)星上的儀器自動(dòng)關(guān)閉，衛(wèi)星一度“罷工”了數(shù)周?？臻g站和太空飛船也深受微流星體的威脅。2012年，一顆微流星體撞擊了國(guó)際空間站的一面大玻璃窗，并在上面留下了明顯的撞擊坑。通常執(zhí)行完任務(wù)后返回地球的航天飛機(jī)機(jī)身上，都布滿了微流星體等物體撞擊留下的“麻點(diǎn)”。在太空中執(zhí)行任務(wù)的宇航員，也時(shí)常面臨著微流星體的威脅。

為了保護(hù)航天器和宇航員的安全，美國(guó)宇航局采用了“惠普爾護(hù)盾”技術(shù)。這種護(hù)盾的最外層用輕薄的金屬制成。當(dāng)護(hù)盾受到天體撞擊時(shí)，最外層的金屬首先被擊穿，同時(shí)天體會(huì)被分解成若干個(gè)小碎片組成的“碎片云”，拋射向更結(jié)實(shí)的后壁。將撞擊點(diǎn)承受的巨大沖擊擴(kuò)散到一個(gè)較大的區(qū)域，這也是惠普爾護(hù)盾最突出的優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)，在經(jīng)受撞擊后，護(hù)盾就失去了防護(hù)作用。需要重新更換新的護(hù)盾。美國(guó)航天局在此基礎(chǔ)上，又在外壁和后壁之間填充了用于制造防彈衣的凱夫拉纖維等材料，進(jìn)一步提高了護(hù)盾的防護(hù)性能。

追尋星塵

在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，科學(xué)家認(rèn)為城市算不上尋找微隕石的理想場(chǎng)所，而更愿意前往南極洲或無(wú)人的沙漠地區(qū)去尋找微隕石的蹤跡。但卻很少有人知道，城市中同樣有微隕石的身影。當(dāng)我們漫步在城市街道時(shí)，不經(jīng)意間揚(yáng)起的灰塵中，就有可能包含了幾粒降落到地球的星塵。

2009年，挪威地質(zhì)學(xué)家兼音樂家瓊·拉爾森開始了一項(xiàng)在城市中搜尋微隕石的研究。拉爾森使用的只是磁鐵、塑料袋、篩子和顯微鏡等最簡(jiǎn)單的設(shè)備，他先將目光對(duì)準(zhǔn)了自己居住的奧斯陸的污水渠、排水溝和落水管，并收集了數(shù)百千克渣滓和污泥。漸漸地，拉爾森開始前往其他城市和國(guó)家采集樣本。他也并不滿足于僅僅在城市中搜尋星塵，全世界各地的山區(qū)、冰川、沙漠和火山都留下了他的足跡。最后，他從全世界七大洲近50個(gè)國(guó)家的近1000個(gè)地塊上搜集了數(shù)萬(wàn)份樣本。

隕石獵人（以搜尋隕石為業(yè)的隕石愛好者）在搜尋微隕石的過(guò)程中，漸漸學(xué)會(huì)了利用“陷阱”捕捉微隕石，例如用戶外水池捕捉星際塵埃顆粒（IDP）。但對(duì)于需要大量樣本的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們迫切想得到一個(gè)真正高效的微隕石陷阱。要想一次性在同一個(gè)陷阱中發(fā)現(xiàn)上千個(gè)微隕石。微隕石陷阱必須滿足兩個(gè)條件：一是面積至少要超過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)的大??；二是最好能持續(xù)積累數(shù)十年時(shí)間。如此高的建造和維護(hù)要求讓不少科學(xué)家望而卻步。然而，科學(xué)家忽略了一個(gè)近在身邊的微隕石陷阱，那就是屋頂。雖然單個(gè)屋頂?shù)拿娣e微不足道，但成百上千的屋頂面積總和就很可觀了。

于是，城市建筑的屋頂成了拉爾森最近幾年搜尋微隕石的重點(diǎn)區(qū)域。他發(fā)現(xiàn)，屋頂上收集到的微隕石，其降落年代都不遠(yuǎn)，能夠追溯到的最早降落的微隕石也不過(guò)是50年前降落的。因此，屋頂搜集到的微隕石比他之前收集到的樣本更“新鮮”。相比降落年代久遠(yuǎn)的微隕石，新微隕石沒有受到長(zhǎng)年風(fēng)化侵蝕，有些玻璃質(zhì)微隕石的保存情況非常完好。

拉爾森依靠簡(jiǎn)單的工具（磁鐵和塑料袋）收集到了數(shù)萬(wàn)個(gè)可能是微隕石的樣本。

鑒別真身

每次拉爾森將收集到的微粒帶回到家中的實(shí)驗(yàn)室，他首先會(huì)用顯微鏡對(duì)樣本進(jìn)行仔細(xì)觀察，并挑選出可能是微隕石的微粒，隨后用更高倍率的電子顯微鏡記錄圖片檔案。

然而，電子顯微鏡的鏡頭在拍攝非平面樣本時(shí)會(huì)由于景深過(guò)淺，導(dǎo)致物體只有很小一部分在焦平面內(nèi)。雖然焦內(nèi)成像是清晰的，但在焦外的物體成像是模糊的。幸好拉爾森遇到了同樣需要拍攝微小物體的礦物學(xué)家簡(jiǎn)·基利，他們合作定制了一臺(tái)專門拍攝微隕石的相機(jī)。這臺(tái)相機(jī)被安裝在一個(gè)自動(dòng)控制的機(jī)械軌道上，相機(jī)每移動(dòng)幾微米就拍攝一幅圖像。一般來(lái)說(shuō)，每顆微隕石樣本需要拍攝約250張不同景深的照片。最后，這些照片在后期制作室被進(jìn)行堆棧處理，數(shù)百?gòu)堈掌械那逦糠直缓铣蔀橐粡埻暾那逦掌?，放大倍率達(dá)3000倍。這些照片為科學(xué)家提供了高分辨率的彩色微粒圖像，清楚反映了微粒的微觀形態(tài)、紋理和質(zhì)地。他們發(fā)現(xiàn)，在其中一些微粒上，有一些閃亮的小珠。經(jīng)過(guò)分析，他們得知這些小珠的成分為鐵、鎳、鉻和鉑等元素。該研究一直持續(xù)至今，拉爾森記錄了4萬(wàn)張疑似太空微粒的圖片。

雖然拉爾森發(fā)現(xiàn)了許多疑是微隕石的微粒，但其中真正得到確認(rèn)的微隕石卻并不多。2015年2月，拉爾森發(fā)現(xiàn)了一顆從未見過(guò)的微粒樣本：一顆長(zhǎng)約0.3毫米的棒狀橄欖石微隕石，其表面布滿了美麗的樹狀磁鐵礦晶體。拉爾森拿著這個(gè)標(biāo)本來(lái)到倫敦帝國(guó)理工學(xué)院，向科學(xué)家求助。最終，兩位科學(xué)家確認(rèn)了這的確是個(gè)來(lái)自外太空的微型天體。從此以后，他們開始了和拉爾森的長(zhǎng)期合作。經(jīng)過(guò)兩位科學(xué)家篩查，4萬(wàn)個(gè)微粒樣本中包含了500枚真正的微隕石。

盡管相比南極，在城市尋找微隕石會(huì)受到鐵屑和其他工業(yè)副產(chǎn)品的干擾，但我們都可能在自己居住的社區(qū)中發(fā)現(xiàn)這些“天外來(lái)客”，這不能不讓人激動(dòng)。拉爾森向我們展示了一種可能性，在我們身邊，可能還有我們未曾發(fā)現(xiàn)的世界等待我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>