借助9000万个陨击坑，科学家们正拼凑火星的动荡史

这张火星全球地图上的颜色代表了含有不同大小陨石坑的区域。通过识别大约9000万个小型陨击坑，研究人员能够计算出火星不同部分的年龄，然后追踪一组陨石到一个特定的陨击坑。摄影：LAGAIN ET AL. (2021), NATURE COMMUNICATIONS

撰文：ROBIN GEORGE ANDREWS

摄影：LAGAIN ET AL. (2021), NATURE COMMUNICATIONS

这些奇特的陨石很可能是100多万年前从图廷陨击坑（Tooting Crater）抛射出的，现在科学家们正借助它们拼凑这个红色星球的动荡历史。

大约一百万年前，一颗小行星撞上了原本平静的火星表面。撞击释放出了大量碎片，一些岩石碎片划破天空，摆脱了火星的引力，在黑暗中穿行。

有些岩石最终找到了通往地球的路，并在穿过地球大气层的过程中幸存下来，然后砰然落入地球表面——比如2011年坠落在摩洛哥的一块重达6.8公斤的碎片。现在，这些天外来客被科学家们称为“贫化的辉玻无粒陨石”，这十几块太空岩石的集合构成了已知的317块火星陨石中耐人寻味的一部分——它们是地球上唯一的火星物质。

确定这些陨石来自火星的哪个部分是拼凑火星历史的关键，也是一项重大的科学挑战。现在，在陨石坑计数机器学习程序的帮助下，一个研究贫化辉玻无粒陨石的研究团队可能最终破解这一难题。他们得出结论，这些地质抛射物来自塔尔西斯（Tharsis）的一个火山口，塔尔西斯是太阳系中最大的火山高原。

这个位于火星的庞然大物周围散布着数千座独立的火山，其面积是美国大陆的三倍。它是数十亿年来无数岩浆注入和熔岩流层层累积形成的。塔尔西斯重量巨大，在其形成过程中，它将火星倾斜了20度。

如果这些陨石果真来自塔尔西斯，正如《自然通讯》的分析报告所指出的那样，那么科学家们就能找到并利用它们，从而帮助确定是什么力量推动了这片火山高原的形成。

“这可能真的会改变我们对火星的理解，”格拉斯哥大学的陨石专家Luke Daly说道，他没有参与这项研究。

陨石的线索

大多数火星陨石都属于一个叫做辉玻无粒陨石(Shergottites)的陨石群，该陨石群以印度小镇休格地（Sherghati）命名，1865年有人在那里看到一颗陨石从天而降。这些辉玻无粒陨石都是具有相似成分的火山岩，但其中有一小部分，即贫化的辉玻无粒陨石，有一种奇怪的化学特征。

在火星上，某些元素（如钕和镧）不喜欢与地幔中的矿物质结合，地幔是火星地壳下面固态但湿软的部分。贫化的辉玻无粒陨石缺少这些元素——因此有“贫化”之称——表明它们来自火星的地幔。

但这些岩石是如何接近地表并在一次撞击中被抛出的呢？在地球上，风化岩可以通过两种方式到达地表：当两个构造板块分开并允许地幔上升时，或者当被称为地幔柱的超热地幔物质喷泉从地下深处上升时。火星似乎从未有过板块构造，所以地幔柱是最有可能的情况。

科学家们还知道这些岩石都来自一个相对年轻的火山遗址——也许是一堆熔岩流沉积物，这是基于陨石中特定元素的放射性衰变得出的。

如果这些在太空中旅行的火山岩都来自某一次撞击，那么它一定非常强大，留下了一个直径至少3.2公里的陨石坑，甚至可能更大。这个陨石坑应该有110万年的历史，随着时间的推移，宇宙射线轰击并改变了陨石的表面，揭示了它们在撞击后在太空中穿行了多长时间。

然而，即使有了这些线索，要将这些火星岩石碎片追溯到它们最初的位置仍然是极其困难的。它们就像从整个拼图中分离出来的一块块独立的拼图：如果不知道它们最初的环境是什么样子，几乎不可能把它们放在火星的某个特定区域。

“作为地质学家，我们记录了大量关于从哪里收集岩石样本的信息，因为环境很重要，”格拉斯哥大学研究火星陨石的博士生Áine O ‘Brien说道，他没有参与这项研究。“对于火星陨石，我们不知道它们原来所在的环境，因此必须对它的形成过程做出一个非常有根据的猜测。”

为了让推测有理有据，科学家们使用了行星科学中的一种新工具：机器学习程序（Machine learning）。

数百万陨击坑中的一个

确定行星表面年龄的唯一方法是获取物理样本并研究其放射性化合物。但美国宇航局和欧洲航天局的火星样本返回活动要到21世纪30年代才能将一些原始火星岩石带回地球，此前，研究人员需要依靠一种被称为撞击坑计数（Crater counting）的技术来估计火星表面的年龄。

在地球上，强风、流水、喷发的熔岩和大量的生物会迅速抹去以前撞击所产生的陨击坑。在火星上则不然，这是一个地质上处于昏迷状态的世界，风很弱，没有地表水。在那里，相当大的陨击坑可以在数亿年甚至数十亿年内保持完好。假设撞击速率随时间的变化是已知的，那么有更多陨击坑的火星表面比陨击坑较少的表面更古老。

科学家们可以使用其他方法来推断陨击坑的年龄。“当一颗小行星撞击火星表面时，会有一堆碎片被喷射出来，”科廷大学的行星地质学家、这项新研究的主要作者Anthony Lagain说道。落回火星的碎片会继续冲击火星表面，并在原始陨击坑周围形成小的次级陨击坑。即使在火星上，这些次级陨击坑也会在几百万年内被风侵蚀，所以任何被次级陨击坑包围的大型陨石坑都一定是在近期的火星历史中形成的。

“为了更好地推测年龄，需要找到更小的陨击坑，”科廷大学的天体地质学家、该研究的合著者 Gretchen Benedix说道。较小的撞击比较大的撞击更常见，所以你可以利用两个表面上较小陨击坑数量的细微差异来计算出更详细的时间线。

要弄清一个陨击坑是否有110万年的历史，研究小组必须对火星的小陨击坑进行编目，并利用它们来精确推断火星表面的形成年代。如果完全由人工操作，这个过程会很煎熬。因此他们将火星轨道图像输入一个机器学习程序，并训练它寻找直径不到1公里长的陨击坑。

科廷大学的数据科学家、该研究的合著者Kosta Servis说，它很快就发现了大约9000万个。有了陨击坑的时间线，研究小组就能够缩小贫化辉玻无粒陨石的可能起源范围。

巨型火山的碎片

在对数据进行筛选后，该团队在火星的火山地区确定了19个大型陨击坑，这些陨击坑周围环绕着多个次级陨石坑——这表明这些行星伤痕可能和他们寻找的110万年前的陨击坑同龄。利用9000万个小陨击坑的目录，研究人员能够精确地确定从大陨击坑辐射出来的碎片层的年代。

有些陨击坑的年龄符合预期，但这还不够。周围地形的形成年代也必须与陨击中发现的矿物的年代相匹配。为了验证这一点，研究小组再次使用陨击坑目录确定了火山高原的年代。

在这19个陨击坑中，只有两个是从110万年前的撞击事件产生的火山沉积物中挖掘出来的：09-00015陨石坑和图廷陨击坑。后者(以伦敦的一个地区命名)看起来是由一种强大的斜向撞击形成的——这种撞击会将大量火星陨石送入太空。

“图廷陨击坑有一种特殊的多层喷出物沉积，这表明撞击发生时周围有冰或水，”伦敦自然历史博物馆的行星科学家Peter Grindrod说道，他没有参与这项研究。撞击模拟显示，冰和水可以产生更多的碎片，如果给予足够的冲力，大量碎片会逃逸到太空中。

有了这些证据，研究小组确定了30公里长的图廷陨击坑是贫化辉玻无粒陨石的主要来源地。“这是一个非常完善的论证，”Daly说道。“一切似乎都合适。”

科学家们还没有完全排除09-00015陨击坑的可能性，但重要的是，这两个陨击坑“都位于塔尔西斯地区，那里有一个巨大的热点，或者说是超级地幔柱，长期以来一直被认为是造成火星表面巨大隆起的原因，”Grindrod说道。无论这些陨石来自哪个陨击坑，它们都可以告诉我们火星上最大火山区的历史。

此前的撞击坑计数显示，塔尔西斯的一些特征是在37亿年前形成的，但更年轻的贫化辉玻无粒陨石只有几亿年的历史。这表明，塔尔西斯超级地幔柱几乎和火星本身一样古老，而且在其他许多火山中心消亡后的相当长的一段时间里，它还在继续生产岩浆。

就像地球的地幔柱一样，火星的地幔柱帮助塑造了火星表面，喷发出大量改变大气的气体，同时极大地改变了火星的地形。塔尔西斯超级地幔柱可能对这颗红色星球的发展有着持续性影响。

火星频繁喷发的日子早已过去。但塔尔西斯火山的持续活动支持了这样一种观点：即使是小行星，那些本应在亿万年前就失去内部热量的行星，也可以长期保持火山活动，远远超过人们最初的估计。

解码其他世界的陨击坑

在这一发现的鼓舞下，Lagain的团队希望能确定其他火星陨石的来源——包括一些最古老的陨石，这可能会揭示更多关于火星浸水的历史。

但这项研究的意义，以及未来的成功，都取决于机器学习程序是否能正确计算陨击坑。陨石坑的统计非常艰难：例如，撞击速率随时间的变化是估计出来的，火星上类似陨石坑的小圆形结构可能会骗过计算机程序。

约翰霍普金斯大学应用物理实验室的行星火山学家Lauren Jozwiak表示，机器学习“是解决这一问题的极具创造性的方法”，她没有参与这项研究。“我希望这个方法能成功，因为如果真的成功了，就能把这个方法应用到其他行星上，这太酷了。”

该研究的作者对此表示赞同。“火星很酷，”Benedix说道。“这种算法和方法并不只适用于火星。它将被应用于月球。还有水星。”

如果机器学习真的解决了长期存在的陨石谜题，它将为各种意想不到的可能性打开大门。“可以说，我们才刚刚开始看到机器学习在行星科学中的意义，” Grindrod说道。

（译者：陌上花开）