作者：徐琳
中國科學院國家空間科學中心
中國科學院月球與深空探測總體部
2019年10月，一顆隕石墜落在我國吉林省，東三省的網友們目擊了這震撼的一幕，而這已不是隕石第一次光臨吉林了。1976年3月8日15時，隕石雨降落吉林，當時也收集到了重達1770公斤的世界最大的石隕石。
（圖片來源：央視新聞微博視頻截圖）
隕石是闖入地球的天外來客，它蘊含著珍貴的宇宙信息，科學家們稱隕石為“太陽系的化石”。人們對隕石進行了大量研究，包括確認隕石的來源，挖掘他們的“流浪史”。今天就讓我們一起來看一看，我們對火星隕石是如何進行研究的。
你從哪裡來——第一塊火星隕石的發現
我們想要了解火星，除了發射探測器前往火星考察以外，還可以通過另一個重要途徑，就是研究火星隕石。在太陽系，受到小天體碰撞的現象普遍存在，火星也不例外。當石塊被撞出來的速度大於逃逸速度時，會被拋射到太空中，其中的一部分會墜落到地球表面成為隕石。來源於火星的隕石被稱為火星隕石，而最重要的判別依據，是將這些岩石中所捕獲的氣體成分，和火星探測器所探測到的火星大氣成分進行對比。
火星（圖片來源：美國宇航局官網）
火星隕石其實很早就被收集到，但由於沒有可供對比的火星樣品，這類隕石的來源一直無法確認，直到1982年情況才發生改變。那麼第一塊火星隕石是如何確認的呢？
最早被發現的火星隕石名為“Chassigny”，除此之外，截至1962年，還有3塊火星隕石在全球其他地方被收集到。這類墜落被人看見並很快收集起來的隕石又稱為“降落型隕石”。長期以來，人們不確定這些隕石來自哪裡，只知道它們經歷過高溫熔融，是從岩漿中結晶形成的岩石。此外，這些隕石又和絕大部分古老的小行星隕石不同，它們都很年輕，甚至比大多數月球岩石還年輕。這些證據似乎都將隕石的來源指向了火星。
科學家將這些未知的岩石劃分為不同的岩石類型，統稱為SNC族隕石（SNC為三塊典型樣品名字的英文首字母，S: Shergotty， N: Nakhla, C: Chassigny）。但讓大家困惑的是，如果它們是來自火星的隕石，那為什麼會沒有月球隕石呢？畢竟，從月球表面撞出一塊岩石並落到地球上，無論怎樣都比火星要容易得多。因為月球幾乎沒有大氣，引力很小，逃逸速度只有每秒2.5公里，也就是說，月球表面被撞出來的岩石，其速度只要達到每秒2.5公里，就能夠逃離月球。而火星則不同，火星有大氣，引力比月球大，逃逸速度至少要每秒5公里。
這一困惑在1982年得以解開，這一年，美國南極科考隊在南極發現了一塊特殊的隕石，通過將其與1961-1972年實施的阿波羅計劃從月球表面採集並帶回381.7 kg的月岩樣品進行對比發現，這塊隕石就是來自月球。月球隕石的發現，解決了科學家們多年的困惑，也為火星隕石的確定提供了靈感和信心。
上：第一塊被發現的火星隕石Chassigny（圖片來源: 國際隕石命名數據庫）
下：第一塊被確認的火星隕石EETA 79001，圖中顯示的是被鋸子切開的截面，上面的黑色斑點就是熔融玻璃（圖片來源：美國宇航局官網）
雖然沒有火星的岩石樣本可供對比，但1976年美國的“海盜1號”和“海盜2號”成功著陸火星，讓我們有了火星大氣成分的數據。因此，如果火星隕石在離開火星時捕獲了一些火星大氣，就可以同“海盜號”的分析結果進行對比。
1979年，美國南極隕石科考隊在南極發現了一塊較大的SCN族隕石，並將其命名為EETA 79001。科學家將這塊隕石切開（如上圖），可以清楚地看到切割面上有許多黑色區域。把它們放在顯微鏡下觀察，發現它們實際上是玻璃。這些玻璃是小行星撞擊火星表面時，高溫熔融後快速冷卻形成的，又稱“熔融玻璃”。
這與地球上的玻璃隕石很相似，後者是小行星撞擊地表，高溫將地表岩石熔融成了玻璃，玻璃隕石中有很多氣泡，包裹著地球的大氣。同理，火星隕石中的這些玻璃中也有氣泡，但包裹的是當時的火星大氣。這樣一來，科學家就可以通過分析SNC族隕石中的氣體成分，對比其與火星大氣的異同來確認它們是否來自火星。通過對EETA79001玻璃中氣體的組分進行分析，得到了令人興奮的結果，它們真的與“海盜號”飛船所分析的火星大氣成分完全一樣，從而確確實實地證明，這塊隕石的確來自火星。
“海盜號”所探測到的火星大氣組成與EETA 79001隕石中的玻璃所捕獲氣體的Log對比圖。二者落在一條直線上，說明它們的組成相同（圖片來源：參考文獻1）
有了這個結果，同類型其他隕石的火星來源也就比較容易確認。除了可以通過做類似分析來證明捕獲有火星大氣之外，還可以通過化學組成、同位素組成、礦物組成和岩石結構等證明它們是一家人。特別是氧的同位素組成，有著類似於“指紋”一樣的唯一性。不同類型的岩石，只要它們來自同一個天體，它們的氧同位素組成完全相同，而不同天體之間的氧同位素組成有顯著的差異，因此可以用該方法來證明它們是相同的來源。近年來，通過將火星車探測的火星表面岩石的數據和火星隕石的做對比，也能確定火星隕石的來源。
奇特的火星隕石ALH 84001
在人類的探測器去火星採樣返回以前，火星隕石都將是我們唯一所擁有的火星岩石樣品。在目前已收集到的近300塊火星隕石中，絕大部分發現於沙漠和南極，都是掉到地球上過了很久以後才被發現的，即所謂的“發現型隕石”，其中有一塊赫赫有名。它就是1984年在南極阿侖山地區發現的火星隕石ALH 84001。
遵循國際通用的隕石命名規則，ALH 84001是以它的發現地來命名。ALH是阿侖山的英文Allan Hills的縮寫，數字84代表是1984年被發現的，001一般指當年發現的第一塊隕石。這塊隕石雖然不是第一塊被發現的火星隕石，但卻是名氣最大的，連美國總統克林頓都對他稱讚有加。那麼它是如何從一塊默默無聞的石頭，變成一名“網紅”的呢？
ALH84001火星隕石（圖片來源：美國宇航局官網）
這還要感謝現代分析技術的飛速發展，各種高精尖的分析儀器，讓科學家們練就了十八般武藝，可以從裡到外來個“底朝天”式的研究。通過研究，科學家們還原了它的成長曆程。
ALH 84001的年齡約44（±1）億年，是最古老的火星隕石。雖然近年來有新的研究數據顯示，該隕石可能沒有那麼老，但其年齡仍然有41（±1）億年。大約一千五百萬年前，有一個小天體撞擊了火星，火星上的該區域已不是第一次被撞，但此次撞擊力度十分巨大，直接使濺射出的岩石的速度超過了火星的逃逸速度。這塊岩石和其它被撞出來的大量碎塊一起，開始了在太空中1500多萬年的漫長旅途。終於，大約在1.3萬年前，這個碎塊穿過地球大氣層，墜落在南極阿侖山地區的冰蓋上，成為一塊隕石。它在那裡孤獨地躺了很久，直到1984年被美國的南極科考隊找到。
而這塊隕石之所以名聲在外，是因為它可能攜帶了火星遠古生命的化石。
什麼？！火星有生命？！是的，火星早期可能有生命。為什麼會有這樣的結論呢？原來，科學家們在對該隕石的分析中，發現了一些蠕蟲狀的管狀結構，這和地球上的磁細菌尤其相似。磁細菌是一類很神奇的細菌，它們會對磁場有反應，在外磁場的作用下能作定向運動，它們的體內具有納米磁性顆粒排列的鏈條，這種磁細菌主要分佈於土壤、湖泊和海洋中。這種蠕蟲狀管狀結構被認為是火星曾經存在生命的重要證據。這一重大發現讓這塊普通的石頭瞬間成為網紅，佔據了新聞媒體的頭條。
電子顯微鏡下ALH84001火星隕石的蠕蟲狀管狀結構。(圖片來源：參考文獻2)
透射電鏡下觀察到的磁細菌(a)和典型的磁小體鏈（b）(圖片來源：參考文獻3)
但很快這一結論就受到廣泛質疑。有的科學家認為，沒有足夠的證據證明這種類似細菌形態的管狀結構是細菌化石，它也可能是由火星地質過程形成，只是看起來像細菌而已。除此之外，有科學家還在該隕石中發現了有機質，但更多的科學家認為，那只是樣品受到了地球物質的汙染，畢竟它在地球上待了那麼久。就這樣，一些和生命相關的證據都被否認了。
我們的征途是星辰大海
雖然遠古化石的證據存在爭議，但卻給通過火星隕石來尋找生命遺蹟翻開了新的一頁。此後，在其它一些火星隕石中，也發現了各種“生物存在的痕跡”。有的火星隕石中還發現了2億年前地下水活動的證據（S.Hu et al., 2014），這說明儘管自30億年甚至更早以來，火星表面就已變成了像現在這樣極度寒冷和乾旱的模樣，但在地下仍可能存在液態水，而水是生命存在的重要條件。
此外，2013年在一塊名為Tissint的火星隕石中，還發現了可能是生物成因的碳，這些有機碳的氫同位素很重，即含有很多由一個質子和一箇中子組成的氘，這是火星物質區別於地球物質的重要證據。同年，“好奇號”火星車在火星的岩石樣品裡也探測到了有機碳，這也間接驗證了該隕石中有機碳的發現。
提森特（Tissint）火星隕石，2011年7月降落在摩洛哥的沙漠中。上圖顯示的是該火星隕石的一部分，表面有殘留的隕石熔殼。下圖顯示了在該隕石裂隙中發現的有機碳（圖片來源：參考文獻5）
這些結果不斷地鼓舞著大家，而一項最新的研究結果，似乎又讓這塊曾經的網紅ALH 84001重新回到公眾的視線中。2020年，有科學家在該隕石中發現了含氮的有機分子。而氮是地球生命的基本元素，過去由於分析技術的限制，並沒有對該隕石中的氮進行檢測。此次分析尤其注意避免可能的汙染，是從該隕石的內部提取的顆粒樣品，經過去汙染處理，再對樣品進行分析。含氮有機分子的發現表明，早期的火星，或許更像現在的地球。這似乎預示著我們離答案又近了一步。
火星隕石ALH84001顯示了發現含氮有機物的橙色碳酸鹽顆粒（圖片來源：參考文獻6）
人類花費大量的人力物力，終於有方法確認這些天外來客的歸屬之地，並對它們進行了大量的研究，而這，只是我們探索浩瀚宇宙的一小步。隨著今年我國的首次火星任務“天問一號”、美國火星2020任務，以及阿聯酋火星任務的實施，期待後續的火星生命探索中有更多新的發現。
參考文獻：
[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.
來源：科學大院
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