以慢动作检查小行星撞击

大型小行星撞击会融化地壳中的大量物质（艺术家的印象）。资料来源：NASA，Don Davis

（蜘蛛网eeook.com）据美国物理学家组织网（by Friedrich Schiller University of Jena）：研究人员第一次记录了小行星撞击中物质的真实和原子细节。耶拿大学的Falko Langenhorst团队和DESY的Hanns Peter Liermann团队在实验室中模拟了一次小行星与石英矿物的碰撞，并在钻石砧室中缓慢追踪，同时使用DESY的X射线源PETRA III对其进行监测。

这项观测揭示了石英中的一种中间状态，它解决了几十年来关于小行星撞击物质中特征薄片形成的谜团。石英在地球表面随处可见，例如，它是沙子的主要成分。该分析有助于更好地了解过去的影响痕迹，也可能对完全不同的材料有意义。研究人员在《自然通讯》上发表了他们的发现。

小行星撞击是灾难性事件，会产生巨大的陨石坑，有时还会融化地球的部分基岩。Langenhorst解释道：“尽管如此，地球上的陨石坑通常很难被发现，因为侵蚀、风化和板块构造导致它们在数百万年后消失。”。

因此，由于撞击力而发生特征性变化的矿物通常是撞击的证据。例如，石英砂（化学成分为二氧化硅，SiO2）在这种冲击作用下逐渐转变为玻璃，然后石英颗粒被微观薄片交错排列。这种结构只能在电子显微镜下进行详细研究。例如，在美国亚利桑那州相对较新且突出的巴林格陨石坑的材料中可以看到它。

Liermann说：“60多年来，这些层状结构一直是小行星撞击的标志，但直到现在，还没有人知道这种结构最初是如何形成的。”。“我们现在已经解开了这个几十年的谜团。”

为了做到这一点，研究人员花了数年时间修改和改进技术，使材料能够在实验室中在高压下进行研究。在这些实验中，样品通常被压缩在所谓的金刚石砧室（DAC）中的两个小金刚石砧之间。它允许地球内部或小行星撞击中普遍存在的极端压力以可控的方式产生。

特征薄片

在实验中，该团队使用了动态金刚石砧座单元（dDAC），在该单元中，压力可以在测量过程中快速变化。利用这个装置，科学家们将小的石英单晶压缩得越来越强，同时用PETRA III强烈的X射线照射它们，以研究其晶体结构的变化。

Liermann说：“诀窍是让模拟的小行星撞击进行得足够慢，以便能够用X光追踪，但不能太慢，这样小行星撞击的典型效果仍然可以发生。”。以秒为尺度的实验被证明是正确的持续时间。

模拟的小行星撞击在所研究的石英晶体中产生了微小的玻璃薄片，只有几十纳米宽，只有在电子显微镜下才能看到。资料来源：Falko Langenhorst，Christoph Otzen（耶拿大学）

第一作者克里斯托夫·奥岑（Christoph Otzen）报告说：“我们观察到，在大约180000个大气压的压力下，石英结构突然转变成了一种更紧密的过渡结构，我们称之为类似蔷薇岩。”奥岑正在撰写关于这些研究的博士论文。“在这种晶体结构中，石英收缩了其体积的三分之一。石英转变为所谓的亚稳态相的地方正好形成了特有的薄片，在我们之前，没有人能够在石英中识别出这种亚稳态相。”

罗赛特是一种氧化矿物，与各种材料中已知的晶体结构同名。它不含二氧化硅，而是一种锑酸铅（铅、锑和氧的化合物）。

Otzen解释道：“压力升高得越高，样品中具有类似蔷薇铁矿结构的二氧化硅比例就越大。”。“但当压力再次下降时，类似于蔷薇铁矿的薄片并没有转变回原来的石英结构，而是坍塌成具有无序结构的玻璃薄片。我们也看到了小行星撞击沉积物中石英颗粒中的这些薄片。”

薄片的数量和方向可以得出关于影响的结论。例如，它们表明冲击压力有多高。“几十年来，这种薄片一直被用于探测和分析小行星撞击，”兰恩霍斯特指出，“但只有现在，我们才能准确地解释和理解它们的形成。”

在这项研究中，研究人员没有使用技术上可行的最高压力。Langenhorst解释道：“在最高压力范围内，产生的热量太多，以至于材料熔化或蒸发。”。“熔化的物质凝固回到岩石中，目前还没有给我们提供太多有用的信息。然而，重要的是矿物在固态状态下发生特征性变化的压力范围，这就是我们在本案例中研究的内容。”

这一结果可能在小行星撞击研究之外具有重要意义。Langenhorst指出：“我们观察到的可能是在完全不同的材料（如冰）中形成玻璃的模型研究。”。“这可能是晶体结构在快速压缩过程中的中间步骤中转变为亚稳相，然后转变为无序玻璃结构的一般路径。我们计划进一步研究这一点，因为这对材料研究可能非常重要。”

随着计划将DESY的PETRA III转变为世界上最好的X射线显微镜PETRA IV，未来此类研究将更加现实。Liermann说：“高出200倍的X射线强度将使我们能够更快地进行这些实验，因此我们可以更真实地模拟小行星撞击。”