在地球上，地幔和地殼中包含了一些半衰期較長的放射性元素，例如，鈾-238、鈾-235、釷-232和鉀-40。它們(men) 發生衰變之後，會(hui) 釋放出熱量，成為(wei) 地球內(nei) 部的主要熱源。不同於(yu) 地球，大部分小行星都是些半徑小、比表麵積（表麵積和體(ti) 積的比例）大的“小可愛”。假設長半衰期的放射性元素也是小行星內(nei) 部的主要熱源，小行星內(nei) 部產(chan) 生的熱量很快就會(hui) 散失。即便是第二大主帶小行星灶神星，模擬計算的結果也不例外。然而，現有的研究顯示超過90%來自小行星帶的隕石記錄了熔融事件或者顯著的熱變質事件。雖然撞擊作用也能夠貢獻熱量，但是模擬計算結果顯示其不足以引起全球性的熱變質作用。那麽(me) 小行星的熱源主要來自哪裏呢？

小行星：其實我也曾被溫暖過

○ 球粒隕石的變質作用

球粒隕石是最常見的隕石類型，超過隕石總量的92%（統計截止至2015年7月）。球粒隕石中通常含有小小的球狀物質，它們(men) 被稱作為(wei) 球粒。球粒主要是由矽酸鹽礦物組成，尺寸從(cong) 微米級到毫米級大小不等。球粒是由45.6億(yi) 年前從(cong) 太陽星雲(yun) 中凝聚出的物質形成的；隨後，在經曆吸積、增生作用後，形成了小行星。因此，球粒是解密太陽係形成、演化和物質組成的鑰匙。小行星形成以後，球粒隕石會(hui) 經曆熱變質或水化蝕變。

球粒隕石的熱變質程度劃分通常以數字表示，根據熱變質程度的高低劃分為(wei) 從(cong) 3型到6型。其中，3型球粒隕石受到熱變質作用的影響最小（不超過400-600℃），基本保存了最原始的礦物種類、成分（包括揮發分物質、前太陽顆粒等）和岩石結構（球粒結構）；從(cong) 4到6型，球粒隕石的熱變質程度逐漸增強（溫度可達600到950℃），太陽星雲(yun) 冷卻凝結的原始物質和結構逐漸消失，基質重結晶程度和礦物成分均一化程度增強。這有點類似牛排的熟度劃分——熟度越高，牛排中心的溫度越高。

部分球粒隕石還會(hui) 經曆水化蝕變作用。為(wei) 了統一標準，數字不僅(jin) 僅(jin) 被用來劃分熱變質程度，還被用來記錄球粒隕石的水化蝕變程度。經曆水化蝕變作用的球粒隕石會(hui) 形成大量的含水礦物，按照水化蝕變等級從(cong) 低到高分為(wei) 2型和1型。1型和2型球粒隕石中的水含量可分別高達11 wt.%和9 wt.%。

光學顯微鏡單偏光下3-6型普通球粒隕石，其中3-5型中球狀礦物集合體(ti) 為(wei) 球粒；6型中基本無球粒結構 ▏圖源：左psrd.hawaii.edu； 右 zhihu.com。

○ 小行星的熔融分異

如果小行星發生了完全熔融，那麽(me) 原始的球粒結構就會(hui) 消失。金屬和矽酸鹽會(hui) 發生熔融形成不混溶熔體(ti) ，並因為(wei) 密度差發生分離。密度較高的鐵鎳液體(ti) 會(hui) 沉入小行星核部，並且發生緩慢冷卻結晶；在鐵鎳核部的上部，密度較低的矽酸鹽物質會(hui) 形成殼幔部分。這就類似水油分離實驗：把水和油充分攪拌，靜置幾分鍾，水重在下，油會(hui) 浮在水的上麵。如果幔部發生部分熔融，會(hui) 熔出鎂鐵質的岩漿。大部分鐵隕石來自於(yu) 熔融的小行星的核部；很多石鐵隕石，例如橄欖隕鐵，來自於(yu) 核幔邊界；還有一些隕石來自於(yu) 小行星的殼部，如鈣長輝長無粒隕石（eucrites）。

分異型小行星剖麵示意圖 ▏圖源：ehman.org

26Al牌暖寶寶：專(zhuan) 注嗬護太陽係早期小行星

是什麽(me) 使看上去“孤單寂寞冷”的小行星也曾感受過溫暖？這裏向大家隆重介紹專(zhuan) 門為(wei) 太陽係早期小行星量身定製的26Al牌暖寶寶！小行星“小可愛”們(men) 都知道它很棒！

○ 生熱原理：短壽期放射性核素26Al衰變生熱

六十五年前，諾貝爾化學獎得者哈羅德·克萊頓·尤裏認為(wei) 短壽期放射性核素26Al可以通過衰變放熱使小行星在早期迅速升溫加熱。26Al比我們(men) 熟知的自然界中的鋁（27Al）少一個(ge) 中子。短壽期放射性核素26Al的半衰期是73萬(wan) 年左右，比鈾（U）、釷（Th）等放射性核素半衰期短數千倍。它相當不穩定，會(hui) 衰變成鎂（26Mg），同時釋放出能量。因為(wei) 26Al衰變的很快，少量26Al則能在短時間內(nei) 釋放大量熱，並在熱量散失之前使小天體(ti) 迅速增溫。由於(yu) 26Al很快就衰變殆盡，26Al的衰變對小行星的加熱作用隻能發生在太陽係早期最初的幾百萬(wan) 年間。

26Al衰變為(wei) 26Mg的過程：26Al的一個(ge) 質子p轉化成中子n，同時釋放出一個(ge) 正電子e+和一個(ge) 電子中微子νe（β+衰變），形成一個(ge) 激發態的26Mg*；激發態的26Mg*發射γ射線，形成穩定態的26Mg。 ▏圖源：sci.esa.int

難熔包體(ti) 主要由富含鈣和鋁的礦物組成，是球粒隕石的重要組成部分。它們(men) 形成於(yu) 高溫條件（不低於(yu) 1180℃），是太陽係最早形成的固態物質。由於(yu) 難熔包體(ti) 富含Al且形成時間極早，因此它們(men) 是26Al的主要載體(ti) ；科學家們(men) 推測早期太陽係的26Al/27Al的初始比值應該在5×10-5左右。假設太陽星雲(yun) 中26Al的分布是均勻的，可以根據26Al/27Al比值限定球粒的形成時間。

○ 小行星的26Al牌暖寶寶使用情況

那麽(me) 26Al牌暖寶寶使用效果如何呢？不得不說，是因小行星而異的。如果小行星形成的時間較早，26Al的含量足夠高，小行星很可能在形成後發生完全熔融（如灶神星）。相反，如果小行星形成的時間較晚，26Al的含量較低，放射性同位素衰變生熱不足夠使小行星發生完全熔融（如球粒隕石的母體(ti) ）。

太陽係早期小行星和組成物質的時間軸[4]

對於(yu) 普通球粒隕石母體(ti) 來說，26Al的衰變放熱能夠使其母體(ti) 發生熱變質。其中，比較經典的熱變質模型是“洋蔥層模型”：由於(yu) 小行星內(nei) 部比表麵冷卻速度慢，而外部比內(nei) 部熱散失速率高，小行星的內(nei) 部會(hui) 形成熱變質程度較高的岩石（如6型）；從(cong) 6型到3型球粒隕石的變質程度依次降低，會(hui) 從(cong) 小行星內(nei) 部到表麵以同心層狀分布，形成所謂的“洋蔥層”結構。

（左）未分異型小行星“洋蔥層”模型剖麵示意圖[3]（右）3型球粒隕石中富鈣鋁難熔包體(ti)

普通球粒隕石中球粒的26Al/27Al的初始值相對較低（~1×10-5），說明它們(men) 在難熔包體(ti) 形成2百萬(wan) 年以後才形成。在球粒形成後，球粒隕石母體(ti) 增生形成。假設普通球粒隕石小行星母體(ti) 的直徑是100km，熱模擬演化模型顯示小行星內(nei) 部的最高溫度可達1000℃左右，並且可以保持超過1千萬(wan) 年的內(nei) 部高溫狀態。CO型碳質球粒隕石中球粒的26Al/27Al初始值是普通球粒隕石的一半左右（~3.8×10-6）。假設碳質球粒隕石母體(ti) 的直徑是80km，其熱變質溫度僅(jin) 能達到670℃，與(yu) 觀察到的CO型碳質球粒隕石的熱變質程度基本一致。

結束語

短壽期放射性核素26Al的放射生熱主要在小行星剛形成的幾百萬(wan) 年發揮作用。盡管作用的時間很短，但是小行星不再“孤單寂寞冷”。小行星的熱變質作用、熔融分異作用改造了小行星的結構，形成了不同成分的岩石，使太陽係變得更加多姿多彩。

參考文獻

[1] Rubin A. E. 2005. What heated the asteroids? Scientific American 292:80–87.

[2] Huss G. R., Rubin A. E., and Grossman J. N. 2006. Thermal metamorphism in chondrites. In Meteorites and the early solar system II, edited by Lautetta D. S. and McSween H. Y. Jr.Tucson, Arizona: The University of Arizona Press. pp. 567–586.

[3] Norton O.R. and Chitwood L. 2008. Field Guide to Meteors and Meteorites. Springer. pp. 1-302.

[4] Wang K. and Korotev R. (2019) Meteorites, in Oxford Research Encyclopedia of Planetary Science, Small Bodies.

作者簡介

李曄，中國科學院紫金山天文台天體(ti) 化學和行星科學實驗室助理研究員。研究領域：隕石學和天體(ti) 化學。


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