小行星撞击产生的热量是否为地球上的生命提供了成分

神户大学的一个研究小组已经证明，小天体撞击产生的热量可以使小行星表面发生水蚀和有机固体形成。他们首先使用类似小行星的目标材料进行高速撞击撞击坑实验并测量撞击后撞击坑周围的热分布，从而实现了这一目标。根据这些结果，他们建立了最高温度和加热持续时间的经验法则，并由此开发了热传导模型。

研究小组由以下神户大学研究生院的成员组成;讲师 YASUI Minami、TAZAWA Taku(研究时的硕士 2 年生)、HASHIMOTO Ryohei(当时是理学院 4 年的本科生)和 ARAKAWA Masahiko 教授，以及 JAXA 太空探索中心的副高级研究员 OGAWA Kazunori (他在研究时是神户大学的技术专家)。

这些结果扩大了水蚀变和有机固体形成的必要条件可能发生的空间和时间范围。预计这将显着增加可能为地球带来水和生命起源的预期天体的数量。

这些研究成果于2021 年 5 月 18 日发表在英国科学期刊Communications Earth and Environment上。

要点

研究人员使用多孔石膏作为仿小行星，并在其中插入多个热电偶。他们以 1 公里/秒及以上的撞击速度对该目标进行了高速撞击实验，并成功地测量了撞击后不久产生的陨石坑周围温度持续时间的变化。

这表明，无论撞击速度和弹丸的大小和密度如何，最高温度及其持续时间都取决于无量纲距离(距撞击点的距离按弹坑半径缩放)。

利用上述结果，研究人员计算了小行星表面陨石坑形成后热分布的时间变化。这些计算表明，在 2 个天文单位的距离内，如果陨石坑的半径超过 20 公里，就会发生水蚀变化，并且有机固体地层可以被 1 公里以上的陨石坑支撑。

这些发现将使越来越多的天体被视为地球生命开始所必需的水和有机物质来源的候选者。

研究背景

人们相信，地球上生命起源所必需的水和有机物质是彗星或小行星撞击地球的结果。在陨石(小行星的起源地)中发现了经历水蚀变的矿物质和有机物质，证明它们曾经含有水。然而，热源对于导致小行星内部水相变质和有机固体形成的化学反应是必要的。

一个足够强大的热源是26 Al的放射性衰变加热，这是一种在岩石中发现的短寿命放射性核素。然而，由于26 Al 的半衰期很短(720,000 年)，据说导致小行星母体水蚀和固体形成的放射性加热(*4)可能只发生在太阳系历史的初期.

近年来，小型天体撞击小行星时产生的撞击热也可能是可行热源的理论开始受到关注。然而，根据天体的特性(大小、密度、撞击速度)以及这种产生的热量在小行星内传播的距离，不知道会产生多少热量。到目前为止，还没有研究通过实验研究这种热量的产生和传播过程，以确定是否有可能发生水蚀和有机物质的形成。

研究方法论

该研究小组进行了实验室实验，以研究小行星上产生的撞击热(由小天体撞击产生的)与撞击特征之间的关系。对于目标，他们使用石膏(一种由二水合硫酸钙组成的多下孔矿物)来模拟小行星。他们使用神户大学的两级水平气枪以 1 公里/秒至 5 公里/秒的高冲击速度加速射向目标的弹丸(图 1)。在石膏靶中设置了多个热电偶，以测量撞击后的温度变化。在这一系列实验中，研究人员改变了弹丸和热电偶的尺寸、密度、撞击速度。

从加热持续时间图表中，研究小组调查了最高温度及其持续时间，并研究了这与冲击特性之间的关系(图 3)。通过使用通过陨石坑半径归一化到撞击点(射弹击中目标的地方)的距离而获得的无量纲距离，他们成功地确定了最高温度及其持续时间如何因撞击特性而改变，并提出了一个规则——拇指为此。随后构建了一个结合这一经验法则的热传导模型，使他们能够计算小行星表面形成的陨石坑周围的热量分布(图 4)。研究小组将热传导模型的数值结果与过去对陨石分析获得的含水蚀变和有机固体形成所需的热量和持续时间的数据进行了核对。这些结果表明，如果在距太阳 2au 的范围内形成半径超过 20 公里的陨石坑，则可能发生水相蚀变。此外，他们估计，在 4au 以内的小行星上，即使是半径 100m 的小陨石坑也可能加热到 100 摄氏度，这意味着它可以支持有机固体的形成。大多数小行星都位于 4 au 以内。研究人员还发现，如果在 2au 范围内形成半径超过 1 公里的陨石坑，则陨石坑的圆周可以加热到 0 摄氏度(冰变成水的温度)，从而能够形成有机固体。

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进一步发展

据认为，26 Al 的放射性衰变加热触发了小行星上水相蚀变和有机固体形成的化学反应。然而，这种加热只能发生在直径数十公里的相对较大的小行星的核心附近。此外，据说由于26 Al 的半衰期很短，这可能只会在太阳形成后的一百万年内发生。另一方面，小行星之间的碰撞今天仍在发生，这种碰撞可能会加热即使是小行星的表面，只要撞击不会破坏小行星本身。换句话说，这些研究结果表明，小行星支持水蚀变和有机固体形成的潜力在暂时和空间上比以前认为的要大得多。这将有助于越来越多的占星体被认为是为地球上生命的开始带来水和有机物质的候选者。

接下来，研究小组希望检查从和其他国家进行的小行星探测任务返回的样本。如果在收集的样本中发现了水蚀矿物或有机物质，这可以提供撞击加热效应的证据。

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