天体化学和行星科学简介

 

上世纪70年代,美国“阿波罗登月计划”的实施标志着现代行星科学 (Planetary sciences) 的诞生。回收采集的382公斤月球岩石样品使人们对月球的认识产生了革命性的变化。全世界目前还收集到了3万多块各种类型的陨石,它们来自40多个小行星和大行星母体,其中包括灶神星,月球和火星。由于陨石的母体(小行星)体积很小,自形成以来没有发生重大地质变化作用,它们记录了太阳系史前分子云和早期原太阳的形成和演化历史,为研究元素的起源、星际介质和分子云的空间环境、恒星的诞生和发育、行星系统的形成和演化提供了珍贵的第一手材料。

天体化学是一门新兴的交叉型学科,涉及地球化学,化学和天体物理等领域。它的研究目标是前太阳系和早期太阳系的形成和演化过程,研究的对象是陨石和地外物质,研究的手段主要以地球化学实验及测试技术为主,如:矿物岩石光学显微镜观察、扫描电子显微镜鉴定、主要元素和微量元素的化学测试(电子探针,离子探针,和中子活化分析)、同位素组成分析(离子探针和同位素质谱仪)。

天体化学研究的主要内容有:

1            元素的起源和化学丰度演化历史:现代天体化学研究发现,原始球粒陨石中含有少量来自其他恒星的尘埃物质。这些尘埃物质的元素同位素组成与太阳系截然不同,它们反映了特定物理条件下恒星内部发生的不同核反应的产物。通过对恒星尘埃的研究,我们可以深入了解太阳系物质的来源,恒星内部的的结构、核反应和对流机制,宇宙元素化学丰度演化的历史

2            太阳系的起源和演化历史:太阳系是怎样形成的?从原始太阳星云到分子云核的塌缩经历了多长时间?太阳系早期发生了什么重大天文事件?太阳系内最早形成的物质是什么?球粒陨石中的球粒的形成机制?这些问题都是天体化学要解决的重大基础问题,它们将帮助我们更清楚地了解太阳系的形成过程。

3            行星的起源和演化历史:行星系统是太阳系的重要组成部分,包括九大行星和数以万计的小行星和彗星。这些太阳系天体是怎样形成的,行星内部熔融分异的机制和演化历史, 各行星体内的岩浆火山活动和地质作用,行星之间的冲击碰撞和演化历史,也是天体化学研究的重要内容。

4            地球生命的起源:地球上的生命中的氨基酸都具有左旋手性。然而在早期的地球环境下发生的化学反应却不能产生适量的具有手性的有机分子。有一种理论认为组成生命的有机分子(如:氨基酸)是由陨石,彗星和宇宙尘埃带入地球的,生命就是从这些地外有机分子发展和演化而成。碳质球粒陨石含有大量有机物,包括组成生命蛋白质的重要基元-- 氨基酸,并且有些氨基酸显示左旋手性。天体化学研究陨石中有机物的含量和种类,它们的化学和同位素组成,探讨有机物的成因机制和条件,以及这些有机物对地球和地外生命起源的影响和意义。

5.    太阳系天体深空探测: 世界各空间大国掀起了太阳系深空探测的热潮,先后对月球、火星、小行星、彗星等太阳系天体进行了全方位、多手段的探测工作,深入研究各天体的地质特性和所处的空间环境,探索行星系统的形成和演化历史,寻求解决太阳系起源和生命起源的最基本问题。21世纪将是科学突飞猛进的新时代,人类认识和征服宇宙的能力将有新的飞跃。空间探测及对空间的开发和利用,是反映一个国家高新科技水平和经济实力的重要标志。目前,我国正在计划和筹备“嫦娥工程”,开展以月球探测为主的深空探测预先研究,将利用先进仪器对月球的资源和能源分布以及特殊环境进行全面的探测。这对于我国的科学、社会、经济的发展和提高我国的国际地位具有重大的意义。

 

研究方向

 

1.太阳系早期短寿期放射性核素的实验室研究

2.火星陨石和月球岩石的化学,同位素和岩矿学研究

3.碳质球粒陨石中有机物的实验室研究

4.IIE群铁陨石中硅酸盐包体的稀土元素分布规律以及硅酸盐包体和金属铁相的铁同位素组成

5.  恒星尘埃的实验室研究

6. 火星、近地小行星和彗星的深空探测计划的科学目标评估  

 

1. 太阳系早期短寿期放射性核素的实验室研究

短寿期放射性核素 (short-lived radionuclides) 是指半衰期在100 Ma以内的放射性同位素。像26Al(半衰期T1/2 = 0.7 Ma)和41Ca T1/2 = 0.1 Ma)。由于其半衰期相对于太阳系的年龄(45.6亿年)来说很短,这些核素在太阳系漫长的演化过程中早已衰变完毕,现已不复存在。所以这些核素又称为灭绝核素(extinct radionuclides)。 但是有很多证据表明,太阳系早期存在大量的短寿期放射性核素。这些证据大多保留在原始的球粒陨石中。

对陨石中的短寿期放射性核素的研究,可以为我们提供如下的重要信息:(1)太阳原始分子云 (molecular clouds) 的物质来源及塌缩机制;(2)太阳系早期发生的物理化学事件,如:双极喷流(bipolar jets)和猎户FU型星爆发(FU Orionis outbursts);(3)原太阳吸积盘 (accretion disk) 的演化历史;(4)行星系统的形成和演化;(5)恒星内部的核反应机制(stellar nucleosynthesis);(6)太阳系早期高能粒子辐射过程(energetic particle interactions)。 总之,短寿期放射性核素与太阳系的形成和演化有着密切的关系,是研究太阳系起源的一个重要工具。

本研究项目将针对碳质球粒陨石中的富钙富铝难熔包体,球粒和基质矿物作系统的矿物岩石学分析,应用离子探针测试其中的各种短寿期放射性核素含量(如:10Be26Al41Ca53Mn),以及其他稳定同位素的组成(如:Ti),系统地比较各短寿期放射性核素的含量以及相互的衰变年代学关系,进一步探讨短寿期放射性核素的含量受母体或太阳星云的热变质作用的影响,对比FUN包体中的氧化钙铝矿(hiboniteCaAl12O19)的同位素组成与基质中的氧化钙铝矿的差别,寻求短寿期放射性核素的含量与稳定同位素异常的关系,从而更深入地了解短寿期放射性核素在早期太阳系内的分布规律。

本研究项目的特色是采用高分辨率二次离子探针质谱仪对碳质球粒陨石中的富钙富铝难熔包体,富镁质和富铝质球粒,基质矿物进行微区同位素分析工作。追求的目标是摸索短寿期放射性核素在太阳系早期的分布规律,寻求新的证据来确定这些核素的来源问题,探讨短寿期放射性核素在太阳系形成和演化过程中所起的作用。

 

2. 火星陨石和月球岩石的化学,同位素和岩矿学研究

 火星是地球的近邻,它们有很多相似之处。火星上有大气层,有四季分明的气候变化。从火星的地表地貌分析结果来看,火星上曾经有大量的河流和湖泊存在。为什么火星如今变成了干燥的不毛之地?同样的事件在未来地球上是否会重新发生?这都是人们所关心和迫切希望解决的问题。

在目前的条件下,研究火星的途经主要有两个方面:火星探测器和火星陨石的实验室研究。目前世界上各空间大国,都在积极制订探测火星的宏伟计划。我国在火星探测方面还是一个空白。但是另一方面,我国目前完全有能力和可能开展火星陨石的地球化学,同位素组成,和岩石矿物学研究工作。

在众多的陨石中,现在已确认有28块陨石来自火星。其中大多数(18块)是玄武质的火成岩,它们被称作Shergottites,其余的为辉岩(Nakhlites)和橄榄岩(Chassigny)。它们大多是在南极地区和非洲沙哈拉沙漠收集到的。其中的一块南极火星陨石(ALH84001)在1996年引起全世界科学家的关注。美国科学家报道在此陨石中发现有火星生命的迹象,包括微生物化石和有机物。

1999年中国第16次南极考察队在南极格罗夫山蓝冰地区收集到一块重为9.7克的陨石,编号为GRV99027。期后的研究发现,GRV99027Shergottites在矿物组成,岩石结构和化学成分上非常相似,进一步的同位素分析也得到同样的结果。现在已确定,GRV99027与其他四块南极陨石(ALH77005LEW88516Y793605YA 1075)一起同属一类火星陨石,称作Lherzolitic shergottitesLherzolitic shergottites相当于地球上的二辉橄榄岩,其中以橄榄石,普通辉石和易变辉石为主,附含少量的熔长石,磷酸盐和氧化物。这类陨石的特点是形成年龄较轻,约为200百万年,而化学组成上贫乏轻稀土元素。

本研究计划将着重研究火星陨石的矿物组成,岩石结构,化学成分,稀土元素的微区分布规律,氢和氧同位素组成,岩石结晶年龄,从而深入地了解火星内部的成岩作用,火山活动,以及火星壳层的构造运动。除了正在研究的GRV99027样品外,紫金山天文台还另收藏有一块火星陨石,Zagami。另外,20022003年,中国第19次南极考察队在南极格罗夫山蓝冰地区又收集到了4000多块陨石,其中可能有来自火星和月球的陨石。总之,本研究项目所需的陨石样品已具备,随着我国南极考察工作的继续,将来会收集到更多的火星陨石。 

3. 碳质球粒陨石中有机物的实验室研究

 上世纪九十年代中期,两大科学发展引起了各界人士的广泛兴趣。一是美国科学家在南极火星陨石(ALH84001)中发现了地外生命的迹象,另一个是在其他恒星体系发现了行星系统。一个古老的问题因此又浮出了水面,“我们是否是宇宙中唯一的生命?”。对这个问题的探索,诞生了一门新兴的交叉型学科 -- 天体生物学(Astrobiology)。这个学科的研究目标不仅仅是寻找地球以外的生命,更重要的是研究地球上的生命是怎样起源,生存和演化的,同样的过程在其他行星上是否可以发生,哪些行星可能存在生命迹象,怎样认识生命现象,以及生命在太阳系内的分布状况。涉及这个领域的科学家包括地质学家,化学家,海洋学家,分子生物学家,动物学家,古生物学家,行星科学家和天体化学家。这门学科起步不久,但发展前景无限,及时介入这个研究领域,能使我国的研究水平在短时间内赶上国际趋势,与世界潮流同步接轨。

地球上的生命都是由左旋手性(laevorotatory)的有机分子组成,然而在早期的地球环境下发生的化学反应却不能产生适量的具有手性的有机分子。有一种理论认为组成生命的有机分子(如:氨基酸,amino acids)是由陨石,彗星和宇宙尘埃带入地球的,生命就是从这些地外有机分子发展和演化而成。研究表明,碳质球粒陨石含有大量有机物,包括组成生命蛋白质的重要基元--- 氨基酸,并且有些氨基酸显示左旋手性。在目前的条件下,陨石是我们能够获得的最主要的地球以外的样品。天体生物学研究陨石中有机物的含量和种类,它们的化学和同位素组成,探讨有机物的成因机制和条件,以及这些有机物对地球和地外生命起源的影响和意义。

4. IIE群铁陨石中硅酸盐包体的稀土元素分布规律以及硅酸盐包体和金属铁相的铁同位素组成

   陨石大都来自小行星,形成于太阳系的初期,年龄约为45.6亿年。陨石可分为两大类: 原始球粒陨石和分异陨石。球粒陨石含有大量(百分之五十到八十)毫米大小的硅酸盐熔融球体 (球粒) 和少量厘米大小的难熔包体。它们是太阳系中最原始的物质,其平均化学成分与太阳系的平均组成十分相似。分异陨石经高温熔融分异而成,其化学成分发生了很大的变化,它们相当于地球上的火成岩或火山岩和地幔地核物质。其中包括无球粒石陨石,石铁陨石,和铁陨石。无球粒石陨石代表小行星表层硅酸盐分异产物,相当于地壳物质。石铁陨石和铁陨石可能来自于小行星的内部,是行星内部硅酸盐相和金属铁相分异的产物。分异陨石对研究行星的形成和演化,特别是壳,幔和核的产生有着重要的指导意义。

   虽然人们普遍认为分异陨石是由球粒陨石经高温熔融演化而成,但是大多数分异陨石亚类与各种球粒陨石的直接成因关系并非十分明了。其中有一组分异陨石,IIE群铁陨石,它与H群普通球粒陨石却有着密切的关系。IIE群铁陨石包含大量毫米到厘米大小的硅酸盐包体。这些硅酸盐包体的化学成分,矿物组合,和氧同位素组成与H群普通球粒陨石非常相似,有些硅酸盐包体甚至含有H群普通球粒陨石的球粒和碎片。因此,研究IIE群铁陨石能帮助我们深入地了解分异陨石与球粒陨石的成因关系,为研究太阳系早期行星的分异和演化提供了重要的信息。

5.恒星尘埃的实验室研究

 恒星在演化的不同阶段中,会向星际空间抛射大量的尘埃,这些尘埃就成为星际分子云的一个组成部分。当太阳系从星际分子云中诞生时,一小部份的恒星尘埃经受了各种物理化学变化的考验,完整地保存于陨石中,最后又随陨石一起飘落到了地球。原始球粒陨石由三部分组成,球粒是主要成分,占百分之五十到八十;少量的CAI难熔包体,占百分之零点几到百分之几;其余则是由微细矿物组成的基质组成。大部分基质矿物物质是太阳星云在凝聚过程中的残留物,其中包含了少量的恒星尘埃。这些恒星尘埃来自晚期恒星的大气,由强劲的星风带入原始太阳星云。它们的化学和同位素组成代表了恒星内部的核反应过程和对流机制,是研究恒星和星系演化的第一手资料。 

整个研究过程如下,首先用特殊设计的物理化学方法把陨石中大部分的太阳系物质除掉,而保留恒星尘埃物质,通过电子显微镜的鉴定,然后用离子探针仪器来测定其化学和各种同位素组成,由此得到恒星内部不同演化阶段的化学同位素组成,用来研究恒星演化过程,恒星内部湍流机制和恒星内部元素核聚变反应过程。 

目前在实验室中已发现的恒星尘埃有石墨,金刚石,碳化硅,及一系列氧化物,理论计算和天文观测表明恒星大气中存在大量的硅酸盐,寻找新的硅酸盐型恒星尘埃将是该项研究的目标之一。目前所发现的恒星尘埃大多数来自红巨星或AGB恒星。另一个目标将是寻找来自超新星的恒星尘埃。

 

6.  火星、近地小行星和彗星的深空探测计划的科学目标评估

   最近几年来,世界各空间大国掀起了太阳系深空探测的热潮,先后对月球、火星、小行星、彗星等太阳系天体进行了全方位、多手段的探测工作,深入研究各天体的地质特性和所处的空间环境,探索行星系统的形成和演化历史,寻求解决太阳系起源和生命起源的最基本问题。在阿波罗登月计划25年后,美国又展开了重返月球的探测活动,1994年的“克莱门汀”(Clementine)和1998年的“月球勘探者”(Lunar Prospector)探测计划对月球进行了全面细致的探测工作。我国也已实施启动了“嫦娥工程”探月计划,目的是要获取月球的三维立体图像和勘察月球表面多种化学元素的分布特点和规律。在火星探测方面,从1996年的“火星全球勘探”(Mars Global Surveyor )1997年的“探路者”(Pathfinder),2001年的“奥德赛”(Mars Odyssey),到最近的 “机遇号”(Opportunity)和“勇气号”(Spirit)火星车,探测工作取得了圆满的成功,获得了大量的科研数据, 展现了一系列的新发现,为人类认识和了解火星作出了巨大的贡献。2004年初欧空局发射了“罗塞塔”(ROSSETA)彗星着陆器,最近“卡西尼”(Cassini)号探测器又成功地进入了土星轨道,这些事件将空间探测活动推进到了一个新的时代。在月球和火星探测热潮的同时,小行星深空探测工作也引起人们的重视,探测活动从早期的近距离飞越(1991Galileo计划),到小行星低空绕轨勘探(2000NEAR计划),发展到目前的小行星表面软着陆和采集样品计划。

   本研究计划将1〕综合评估国外火星,近地小行星和彗星探测计划的科学目标,观测手段,实验数据,和研究成果;2〕研究设计适合我国国情的探测方案,观测手段,和预期达到的科学目标

 

天体化学

月球陨石
火星陨石
火星探测中心
地外物质分析收藏中心 (CAPTEM)
美国宇航局深空探测计划
探月计划报告

首页∣研究方向∣实验设备陨石知识深空探测研究成果English

中国科学院  紫金山天文台  天体化学和行星科学实验室
地址:江苏省南京市元化路8号(南大科学园内)  邮编:210034
网页更新日期2019年05月05日