火星陨石的地球“流浪记” | 奔·火
2019年10月，一颗陨石坠落在我国吉林省，东三省的网友们目击了这震撼的一幕，而这已不是陨石第一次光临吉林了。1976年3月8日15时，陨石雨降落吉林，当时也收集到了重达1770公斤的世界最大的石陨石。
（图片来源：央视新闻微博视频截图）
陨石是闯入地球的天外来客，它蕴含着珍贵的宇宙信息，科学家们称陨石为“太阳系的化石”。人们对陨石进行了大量研究，包括确认陨石的来源，挖掘他们的“流浪史”。今天就让我们一起来看一看，我们对火星陨石是如何进行研究的。
你从哪里来——第一块火星陨石的发现
我们想要了解火星，除了发射探测器前往火星考察以外，还可以通过另一个重要途径，就是研究火星陨石。在太阳系，受到小天体碰撞的现象普遍存在，火星也不例外。当石块被撞出来的速度大于逃逸速度时，会被抛射到太空中，其中的一部分会坠落到地球表面成为陨石。来源于火星的陨石被称为火星陨石，而最重要的判别依据，是将这些岩石中所捕获的气体成分，和火星探测器所探测到的火星大气成分进行对比。
火星（图片来源：美国宇航局官网）
火星陨石其实很早就被收集到，但由于没有可供对比的火星样品，这类陨石的来源一直无法确认，直到1982年情况才发生改变。那么第一块火星陨石是如何确认的呢？
最早被发现的火星陨石名为“Chassigny”，除此之外，截至1962年，还有3块火星陨石在全球其他地方被收集到。这类坠落被人看见并很快收集起来的陨石又称为“降落型陨石”。长期以来，人们不确定这些陨石来自哪里，只知道它们经历过高温熔融，是从岩浆中结晶形成的岩石。此外，这些陨石又和绝大部分古老的小行星陨石不同，它们都很年轻，甚至比大多数月球岩石还年轻。这些证据似乎都将陨石的来源指向了火星。
科学家将这些未知的岩石划分为不同的岩石类型，统称为SNC族陨石（SNC为三块典型样品名字的英文首字母，S: Shergotty， N: Nakhla, C: Chassigny）。但让大家困惑的是，如果它们是来自火星的陨石，那为什么会没有月球陨石呢？毕竟，从月球表面撞出一块岩石并落到地球上，无论怎样都比火星要容易得多。因为月球几乎没有大气，引力很小，逃逸速度只有每秒2.5公里，也就是说，月球表面被撞出来的岩石，其速度只要达到每秒2.5公里，就能够逃离月球。而火星则不同，火星有大气，引力比月球大，逃逸速度至少要每秒5公里。
这一困惑在1982年得以解开，这一年，美国南极科考队在南极发现了一块特殊的陨石，通过将其与1961-1972年实施的阿波罗计划从月球表面采集并带回381.7 kg的月岩样品进行对比发现，这块陨石就是来自月球。月球陨石的发现，解决了科学家们多年的困惑，也为火星陨石的确定提供了灵感和信心。
上：第一块被发现的火星陨石Chassigny（图片来源: 国际陨石命名数据库）
下：第一块被确认的火星陨石EETA 79001，图中显示的是被锯子切开的截面，上面的黑色斑点就是熔融玻璃（图片来源：美国宇航局官网）
虽然没有火星的岩石样本可供对比，但1976年美国的“海盗1号”和“海盗2号”成功着陆火星，让我们有了火星大气成分的数据。因此，如果火星陨石在离开火星时捕获了一些火星大气，就可以同“海盗号”的分析结果进行对比。
1979年，美国南极陨石科考队在南极发现了一块较大的SCN族陨石，并将其命名为EETA 79001。科学家将这块陨石切开（如上图），可以清楚地看到切割面上有许多黑色区域。把它们放在显微镜下观察，发现它们实际上是玻璃。这些玻璃是小行星撞击火星表面时，高温熔融后快速冷却形成的，又称“熔融玻璃”。
这与地球上的玻璃陨石很相似，后者是小行星撞击地表，高温将地表岩石熔融成了玻璃，玻璃陨石中有很多气泡，包裹着地球的大气。同理，火星陨石中的这些玻璃中也有气泡，但包裹的是当时的火星大气。这样一来，科学家就可以通过分析SNC族陨石中的气体成分，对比其与火星大气的异同来确认它们是否来自火星。通过对EETA79001玻璃中气体的组分进行分析，得到了令人兴奋的结果，它们真的与“海盗号”飞船所分析的火星大气成分完全一样，从而确确实实地证明，这块陨石的确来自火星。
“海盗号”所探测到的火星大气组成与EETA 79001陨石中的玻璃所捕获气体的Log对比图。二者落在一条直线上，说明它们的组成相同（图片来源：参考文献1）
有了这个结果，同类型其他陨石的火星来源也就比较容易确认。除了可以通过做类似分析来证明捕获有火星大气之外，还可以通过化学组成、同位素组成、矿物组成和岩石结构等证明它们是一家人。特别是氧的同位素组成，有着类似于“指纹”一样的唯一性。不同类型的岩石，只要它们来自同一个天体，它们的氧同位素组成完全相同，而不同天体之间的氧同位素组成有显著的差异，因此可以用该方法来证明它们是相同的来源。近年来，通过将火星车探测的火星表面岩石的数据和火星陨石的做对比，也能确定火星陨石的来源。
奇特的火星陨石ALH 84001
在人类的探测器去火星采样返回以前，火星陨石都将是我们唯一所拥有的火星岩石样品。在目前已收集到的近300块火星陨石中，绝大部分发现于沙漠和南极，都是掉到地球上过了很久以后才被发现的，即所谓的“发现型陨石”，其中有一块赫赫有名。它就是1984年在南极阿仑山地区发现的火星陨石ALH 84001。
遵循国际通用的陨石命名规则，ALH 84001是以它的发现地来命名。ALH是阿仑山的英文Allan Hills的缩写，数字84代表是1984年被发现的，001一般指当年发现的第一块陨石。这块陨石虽然不是第一块被发现的火星陨石，但却是名气最大的，连美国总统克林顿都对他称赞有加。那么它是如何从一块默默无闻的石头，变成一名“网红”的呢？
ALH84001火星陨石（图片来源：美国宇航局官网）
这还要感谢现代分析技术的飞速发展，各种高精尖的分析仪器，让科学家们练就了十八般武艺，可以从里到外来个“底朝天”式的研究。通过研究，科学家们还原了它的成长历程。
ALH 84001的年龄约44（±1）亿年，是最古老的火星陨石。虽然近年来有新的研究数据显示，该陨石可能没有那么老，但其年龄仍然有41（±1）亿年。大约一千五百万年前，有一个小天体撞击了火星，火星上的该区域已不是第一次被撞，但此次撞击力度十分巨大，直接使溅射出的岩石的速度超过了火星的逃逸速度。这块岩石和其它被撞出来的大量碎块一起，开始了在太空中1500多万年的漫长旅途。终于，大约在1.3万年前，这个碎块穿过地球大气层，坠落在南极阿仑山地区的冰盖上，成为一块陨石。它在那里孤独地躺了很久，直到1984年被美国的南极科考队找到。
而这块陨石之所以名声在外，是因为它可能携带了火星远古生命的化石。
什么？！火星有生命？！是的，火星早期可能有生命。为什么会有这样的结论呢？原来，科学家们在对该陨石的分析中，发现了一些蠕虫状的管状结构，这和地球上的磁细菌尤其相似。磁细菌是一类很神奇的细菌，它们会对磁场有反应，在外磁场的作用下能作定向运动，它们的体内具有纳米磁性颗粒排列的链条，这种磁细菌主要分布于土壤、湖泊和海洋中。这种蠕虫状管状结构被认为是火星曾经存在生命的重要证据。这一重大发现让这块普通的石头瞬间成为网红，占据了新闻媒体的头条。
电子显微镜下ALH84001火星陨石的蠕虫状管状结构。(图片来源：参考文献2)
透射电镜下观察到的磁细菌(a)和典型的磁小体链（b）(图片来源：参考文献3)
但很快这一结论就受到广泛质疑。有的科学家认为，没有足够的证据证明这种类似细菌形态的管状结构是细菌化石，它也可能是由火星地质过程形成，只是看起来像细菌而已。除此之外，有科学家还在该陨石中发现了有机质，但更多的科学家认为，那只是样品受到了地球物质的污染，毕竟它在地球上待了那么久。就这样，一些和生命相关的证据都被否认了。
我们的征途是星辰大海
虽然远古化石的证据存在争议，但却给通过火星陨石来寻找生命遗迹翻开了新的一页。此后，在其它一些火星陨石中，也发现了各种“生物存在的痕迹”。有的火星陨石中还发现了2亿年前地下水活动的证据（S.Hu et al., 2014），这说明尽管自30亿年甚至更早以来，火星表面就已变成了像现在这样极度寒冷和干旱的模样，但在地下仍可能存在液态水，而水是生命存在的重要条件。
此外，2013年在一块名为Tissint的火星陨石中，还发现了可能是生物成因的碳，这些有机碳的氢同位素很重，即含有很多由一个质子和一个中子组成的氘，这是火星物质区别于地球物质的重要证据。同年，“好奇号”火星车在火星的岩石样品里也探测到了有机碳，这也间接验证了该陨石中有机碳的发现。
提森特（Tissint）火星陨石，2011年7月降落在摩洛哥的沙漠中。上图显示的是该火星陨石的一部分，表面有残留的陨石熔壳。下图显示了在该陨石裂隙中发现的有机碳（图片来源：参考文献5）
这些结果不断地鼓舞着大家，而一项最新的研究结果，似乎又让这块曾经的网红ALH 84001重新回到公众的视线中。2020年，有科学家在该陨石中发现了含氮的有机分子。而氮是地球生命的基本元素，过去由于分析技术的限制，并没有对该陨石中的氮进行检测。此次分析尤其注意避免可能的污染，是从该陨石的内部提取的颗粒样品，经过去污染处理，再对样品进行分析。含氮有机分子的发现表明，早期的火星，或许更像现在的地球。这似乎预示着我们离答案又近了一步。
火星陨石ALH84001显示了发现含氮有机物的橙色碳酸盐颗粒（图片来源：参考文献6）
人类花费大量的人力物力，终于有方法确认这些天外来客的归属之地，并对它们进行了大量的研究，而这，只是我们探索浩瀚宇宙的一小步。随着今年我国的首次火星任务“天问一号”、美国火星2020任务，以及阿联酋火星任务的实施，期待后续的火星生命探索中有更多新的发现。
参考文献：
[1]R.O.Pepin, Evidence of Martian origins, Nature, 317,473-475, 1985.
[2]R.A.Kerr, Ancient life on Mars? Science, 273, 864-866, 1996.
[3]G.A.Paterson. Yinzhao Wang and Yongxin Pan, The fidelity of paleomagnetic records carried by magnetosome chains, Earth and Planetary Science Letters, 383, 82-91, 2013.
[4]S.Hu et al., NanoSIMS analyses of apatite and melt inclusions in the GRV 020090 Martian meteorite: Hydrogen isotope evidence for recent past underground hydrothermal activity on Mars. Geochimica et Cosmochimica Acta, 140, 321-333, 2014.
[5]Yangting LIN et al., NanoSIMS analysis of organic carbon from the Tissint Martian meteorite: Evidence for the past existence of subsurface organic-bearing fluids on Mars. Meteoritics & Planetary Science. 49, 2129-2304, 2014.
[6]Mizuho Koike et al., In-situ preservation of nitrogen-bearing organics in Noachian Martian carbonates. Nature Communications. 11, 1998, 2020.
本文由科普中国融合创作出品，中国科学院月球与深空探测总体部 中国科学院国家空间科学中心 徐琳制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
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