近日，以加拿大多倫多大學(xué)地球科學(xué)系的Sara Mazrouei為首的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析月球的小天體撞擊，發(fā)現(xiàn)近2.9億年里地球和月球遭受的小天體撞擊頻率是之前的2.6倍。這一成果發(fā)表于2019年1月18日的《科學(xué)》雜志。

以月為鏡

想要追溯地球在過(guò)去的四十多億年里被小行星和彗星的撞擊歷史是非常困難的，因?yàn)榧词故悄切┛梢源┻^(guò)大氣層成功撞上地球陸地的小天體，它們?cè)诘厍虮砻媪粝碌暮圹E——撞擊坑，也絕大多數(shù)都被之后的板塊活動(dòng)、火山、地震等等地質(zhì)活動(dòng)以及生物活動(dòng)抹去了。即使有少數(shù)還沒(méi)有被完全抹去痕跡的撞擊坑，也很難被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。

山清水秀的地球上，目之所及看不到一個(gè)隕石坑

阿波羅17號(hào)拍攝的“藍(lán)色彈珠”。

目前為止，地球上一共…只確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了190多個(gè)隕石坑。直徑在10公里以上的，包括去年新確認(rèn)的格陵蘭島Hiawatha隕石坑，一共也才只確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了80個(gè)，而且其中很多早已被嚴(yán)重侵蝕，很難從地表看到痕跡了。

地球上目前已發(fā)現(xiàn)的大型隕石坑分布（不完全統(tǒng)計(jì)），注意圓圈大小并不是實(shí)際的隕石坑大小，但正比于實(shí)際隕石坑的大小。

等等，你咋知道這是因?yàn)榈厍蛏洗蟛糠肿矒艨佣急荒ㄈチ?，而不是本?lái)這么少呢？因?yàn)槲覀冇?strong>天然的對(duì)照組——地球的鄰居月球。雖說(shuō)特別小的撞擊體會(huì)被地球的大氣層“拒之門(mén)外”，但對(duì)于能夠穿過(guò)大氣層的稍大一些的撞擊體來(lái)說(shuō)，撞月球和撞地球的幾率是差不多的（根據(jù)理論計(jì)算，地球上單位面積受到的小天體撞擊頻率是月球的近2倍），也就是說(shuō)，地球上的撞擊坑密度理論上應(yīng)該有月球的2倍，那實(shí)際上呢…

表面積只有3793萬(wàn)平方公里（地球的7.4%）的月球上，直徑大于20公里的隕石坑有近7000個(gè)，直徑大于1公里的隕石坑…emmm不是天文數(shù)字，也就…一百多萬(wàn)個(gè)吧。

（左）典型的月球高地地貌，撞擊坑遍布。（右）月球上直徑大于20 km的撞擊坑分布。

當(dāng)然，地球上還有很多撞擊坑尚未被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)，但毫無(wú)疑問(wèn)，被打成了篩子的月球已經(jīng)展現(xiàn)出了碾壓式的差距。所以，地球上大部分撞擊坑確實(shí)已經(jīng)被抹去了，一起被抹去的，還有那些被撞擊坑記錄下的地球歷史。

那么，直接追溯月球的撞擊歷史，然后來(lái)反推地球的情況不就得了么？事實(shí)上科學(xué)家們確實(shí)就是這么做的。

那些年，那些月球告訴我們的事

1969-1972年，阿波羅11、12、14、15、16、17號(hào)成功實(shí)現(xiàn)了載人登月，并在月球表面完成了一系列至今尚無(wú)來(lái)者的實(shí)地探測(cè)。阿波羅任務(wù)帶回的巖石樣品讓我們可以通過(guò)同位素定年來(lái)測(cè)量月球不同區(qū)域的形成年齡。

從不同巖石樣品的年齡中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)月球在約38.5億年前似乎經(jīng)歷了一波突然而劇烈的小天體撞擊，而在那之后，內(nèi)太陽(yáng)系遭受的暴擊大大減少了，直到今天。很顯然，如果真的有過(guò)這樣的事件，那不可能只有月球經(jīng)歷了——內(nèi)太陽(yáng)系所有的大型巖質(zhì)天體應(yīng)當(dāng)都不能幸免，包括地球。這就是著名的晚期大撞擊（LHB）假說(shuō)。

（左）阿波羅號(hào)和月球號(hào)樣品顯示的幾個(gè)著陸區(qū)的絕對(duì)年齡；阿波羅樣品的定年結(jié)果顯示月球乃至整個(gè)內(nèi)太陽(yáng)系在約38.5億年前可能經(jīng)歷過(guò)一波突然而劇烈的小天體撞擊，而從20億年前左右開(kāi)始直到現(xiàn)在，撞擊量趨于穩(wěn)定。

關(guān)于晚期大撞擊假說(shuō)，至今仍然有很大的爭(zhēng)議。阿波羅任務(wù)帶回的樣本真的足夠可靠嗎？畢竟我們手頭的樣本那么有限。晚期大撞擊真的發(fā)生過(guò)嗎？或者即使真的發(fā)生過(guò)，又真的是一次短暫的驟發(fā)事件嗎？

但無(wú)論如何，有一點(diǎn)是大家公認(rèn)的：內(nèi)太陽(yáng)系近10億年受到的小天體撞擊頻率遠(yuǎn)小于三四十億年前的時(shí)候，而且近10億年里受到的撞擊頻率較為穩(wěn)定，沒(méi)有很大變化——這也是科學(xué)家們用來(lái)建立地月撞擊歷史的一個(gè)基本假設(shè)。

來(lái)自地球的矛盾：我不一樣，是被“抹掉”了么？

然而，地球上目前確認(rèn)的隕石坑年齡分布并不符合這個(gè)基本假設(shè)：地球上目前確認(rèn)的80個(gè)直徑大于10公里的隕石坑里，形成于近3億年的有近50個(gè)，而形成于3-10億年前這一時(shí)期內(nèi)的隕石坑只有約20個(gè)。似乎，近3億年的小天體撞擊在近10億年這個(gè)時(shí)間段里特別多？當(dāng)然不能這么草率地下結(jié)論啦。更加容易被接受的解釋是：越古老的撞擊坑經(jīng)歷了越多越久的侵蝕作用，也就越容易被“抹掉”，所以越古老的隕石坑留下的數(shù)目越少，這再正常不過(guò)了。

所以我們?nèi)绾尾拍苤朗堑厍蛏?-10億年前這段時(shí)間里的撞擊坑（也就是小天體撞擊）確實(shí)少，還是被抹掉了呢？

唯一可以作證的，還是月球。如果可以把月球上近10億年里形成的大小相當(dāng)?shù)淖矒艨幼鲆粋€(gè)同樣的對(duì)比，不就知道到底是哪種了么？但問(wèn)題是，一個(gè)地球上的撞擊坑形成于什么時(shí)候，可以通過(guò)采集這個(gè)撞擊坑對(duì)應(yīng)的撞擊熔融物，通過(guò)放射性定年來(lái)精確知道。但月球呢？很遺憾，雖然阿波羅任務(wù)帶回了一些月球樣本，但這只能幫助我們了解月球上少數(shù)幾個(gè)區(qū)域的年齡，至于某個(gè)特定撞擊坑的年齡——我們目前還無(wú)法直接且精確地測(cè)量…

如何知道一個(gè)月球撞擊坑的年齡？

在無(wú)法使用同位素定年方法的情況下，粗略估計(jì)一個(gè)撞擊坑的形成時(shí)間行不行呢？答案是可以的。月球這種幾乎沒(méi)有大氣層和地質(zhì)侵蝕的天體吶，就像一個(gè)天然的博物館——近30億年來(lái)的小天體撞擊留下的撞擊坑，大部分都被保留了下來(lái)，這些撞擊坑為我們判斷年齡提供了一個(gè)天然的標(biāo)尺。

一個(gè)區(qū)域里的撞擊坑數(shù)目越多（密度越高），說(shuō)明這個(gè)區(qū)域越古老。那么同樣的道理，一個(gè)已經(jīng)形成的撞擊坑周?chē)?，進(jìn)一步覆蓋的撞擊坑數(shù)目越多（密度越高），就說(shuō)明這撞擊坑形成的時(shí)間越古老。

月球上的（左）阿里斯塔克斯撞擊坑和（右）第谷撞擊坑周?chē)倪B續(xù)濺射毯（也就是被撞擊濺射物覆蓋的主要區(qū)域）上的撞擊坑密度對(duì)比，表明前者比后者要古老。

除了撞擊坑周?chē)贻p的撞擊坑數(shù)目的多少之外，撞擊坑周?chē)氖瘔K多少也是一個(gè)標(biāo)志著撞擊坑形成年齡的顯著標(biāo)尺。一個(gè)足夠大的撞擊坑會(huì)擊穿月壤，撞入更深的基巖，這時(shí)就會(huì)挖掘和濺射出粗糙的石塊。也就是說(shuō)，一個(gè)剛形成不久的（足夠大的）撞擊坑，周?chē)鷷?huì)有很多石塊，而隨著時(shí)間流逝，這些石塊慢慢破碎，進(jìn)而消失，10億年以上的撞擊坑周?chē)鷰缀醪粫?huì)有石塊——簡(jiǎn)而言之，一個(gè)撞擊坑周?chē)氖瘔K越多，表明這個(gè)撞擊坑越年輕。

月球靜海中兩個(gè)大小都是約500米的撞擊坑，左邊的周?chē)鷰缀鯖](méi)有石塊，右邊的周?chē)泻芏嘈∈瘔K，說(shuō)明右邊的撞擊坑形成的時(shí)間更晚。

好的，所以把這些撞擊坑或者石塊都數(shù)出來(lái)就能推測(cè)原本的撞擊坑的年齡了！但…這也工作量太大了一點(diǎn)吧…有沒(méi)有更便捷的方法呢？還真有。石塊的多少，還對(duì)應(yīng)了這塊區(qū)域的熱輻射強(qiáng)度：石塊多的地方，熱慣量更大，而石塊少的地方（也就是月球表面的細(xì)膩月壤）熱慣量則小得多。熱慣量大的，溫度變化會(huì)小一些，于是到了晚上會(huì)更容易保持白天的溫度。也就是說(shuō)：石塊多的區(qū)域，夜間會(huì)比周?chē)瘔K少的月壤區(qū)域溫度高。

發(fā)射于2009年的月球勘測(cè)軌道飛行器LRO攜帶了一個(gè)熱輻射計(jì)Diviner，用它的熱紅外通道數(shù)據(jù)就可以計(jì)算月球表面各個(gè)區(qū)域的夜間溫度。

月球勘測(cè)軌道飛行器LRO示意圖。

然后通過(guò)夜間溫度可以計(jì)算這個(gè)區(qū)域的石塊所占的百分比（RA）。

月球上Giordano Bruno和Byrgius A撞擊坑通過(guò)Diviner計(jì)算的石塊百分比RA。

石塊越多的撞擊坑，年齡越小，Mazrouei和她的同事們就是通過(guò)這個(gè)方法確定了月球上111個(gè)形成于10億年以?xún)?nèi)、直徑10公里以上的撞擊坑的年齡。

月球上的撞擊頻率確實(shí)增大了

在這111個(gè)撞擊坑里，56個(gè)形成于近2.9億年內(nèi)，而2.9-10億年前這7億年里只有53個(gè)撞擊坑——平均到相同的時(shí)間間隔里的話，相當(dāng)于近2.9億年里月球上的撞擊坑頻率是之前7億年里的2.6倍。

月球上10公里以上的年輕撞擊坑的（左）年齡分布和（右）密度對(duì)比。

這個(gè)2-3倍的差異和地球上隕石坑的年齡分布居然是吻合的！

地球上侵蝕速率其實(shí)也沒(méi)有那么快

另一方面，Mazrouei和她的同事們驚訝地發(fā)現(xiàn)，地球上近6.5億年的侵蝕速率其實(shí)也沒(méi)有那么快。一個(gè)輔證來(lái)自對(duì)地球大陸的侵蝕速率考察。來(lái)自同位素定年的結(jié)果顯示，穩(wěn)定的大陸上侵蝕速率最高也就2.5米/百萬(wàn)年，也就是說(shuō)在過(guò)去的6.5億年里最多侵蝕了1.6公里的垂直深度——并不足以抹掉直徑10公里以上（對(duì)應(yīng)的深度約有不足2公里）的地球隕石坑。

另一個(gè)輔證來(lái)自金伯利巖管的參照。金伯利巖是巖漿在地下淺層固化的產(chǎn)物，這些火成巖在地下可以形成1-2公里深的胡蘿卜形狀的巖管。最重要的是，這些金伯利巖管也和隕石坑一樣，會(huì)因?yàn)楦鞣N地質(zhì)作用而被侵蝕變淺。

金伯利巖管示意圖。繪制：于大錘

然而，作者對(duì)比了形成于各個(gè)地盾區(qū)內(nèi)的撞擊坑和600多個(gè)已經(jīng)有明確定年的金伯利巖管。

地球大陸各個(gè)地盾中的撞擊坑大小、年齡和金伯利巖管分布。

發(fā)現(xiàn)古生代以來(lái)（5.4億年至今）的這段時(shí)間里的金伯利巖管留存量都很高，表明這一時(shí)期的各種地質(zhì)侵蝕確實(shí)只有1公里深左右，不足以抹去1-2公里深的金伯利巖管，自然也同樣不足以抹去直徑10公里以上的地球隕石坑。

直徑10公里以上的撞擊坑和已有明確定年的金伯利巖的年齡分布，明顯可見(jiàn)地球上發(fā)現(xiàn)的大型隕石坑幾乎都在6.5億年以?xún)?nèi)，而同時(shí)近6.5億年里各個(gè)地盾的金伯利巖管留存量也很高。另一方面，6.5億年之前幾乎沒(méi)有隕石坑和金伯利巖管。

地球：更頻繁的撞擊

總結(jié)一下就是：近2.9億年里月球遭受的小天體撞擊頻率是之前的2.6倍，而地球在近6.5億年里也沒(méi)有發(fā)生什么嚴(yán)重的侵蝕活動(dòng)。所以地球在近2.9億年里受到的隕石撞擊應(yīng)當(dāng)也和月球一樣，是之前數(shù)億年的2-3倍。而且雖然地球上絕大多數(shù)隕石坑都被抹去了，但這種侵蝕作用并沒(méi)有改變地球保留下來(lái)的撞擊坑的年齡分布。

不過(guò)，地球上前寒武紀(jì)的隕石坑幾乎沒(méi)有保留至今的，這可能意味著約6億年前的那次全球冰封（也就是雪球地球）事件規(guī)模之大，足以把幾乎所有的隕石坑一波帶走了。

科學(xué)家們推測(cè)，曾經(jīng)的地球曾經(jīng)至少經(jīng)歷過(guò)三次全球性的凍結(jié)和解凍，那時(shí)候整個(gè)地球變成了一個(gè)“雪球”。最后一次全球冰封發(fā)生約在6億年前。

至于為什么近幾億年的撞擊會(huì)變頻繁？作者認(rèn)為可能是小行星帶有一個(gè)或多個(gè)大型小行星碎裂，產(chǎn)生了大量碎片。

最后要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，雖說(shuō)是“被多砸了幾倍”，但這種程度的增長(zhǎng)和30-40億年前的晚期大撞擊完全不可同日而語(yǔ)——和那種boss級(jí)事件相比，現(xiàn)在的小天體撞擊都是毛毛雨啦。

至于被多砸了是好事還是壞事呢？很難講。撞擊頻次變多，那么大型撞擊事件的出現(xiàn)次數(shù)也會(huì)增多，比如，滅絕恐龍那樣的大撞擊會(huì)不會(huì)比我們?cè)绢A(yù)想的要頻繁？但另一方面，更多的滅絕事件會(huì)不會(huì)也可能會(huì)給某些物種提供更多誕生和繁榮的機(jī)會(huì)？

誰(shuí)知道呢。