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破解史前巨石陣謎團!科學家分析核心樣本找到石材來源

活躍星系核_96
・2020/08/21 ・2121字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 文/韻涵|以人文視角洞察科普,淺顯轉述科學奧義。這輩子離不開地球,只能遙望星空。

巨大石塊突兀地聳立在平原上,它們怎麼會出現在這,為什麼會圍成一個圓,是用作神秘儀式,還是外星人傑作?數百年來,科學家試圖探索英格蘭史前遺跡巨石陣(Stonehenge)之謎,如今多虧了保存在美國逾半世紀的巨石核心樣本,巨石陣石材的身世謎團終於解開。

圖/Pixabay

英格蘭布萊頓大學(University of Brighton)地形學家納許(David Nash)領導的研究團隊,利用 X光分析組成巨石陣的 52 塊淺灰色砂岩「撒森岩」(sarsens)的化學組成,發現其中含有 99% 的矽土,以及其他諸多化學成分。

科研團隊檢測的 52 塊撒森岩中,有 50 塊與距離 25 公里外的西伍茲(West Woods)的岩石組成相似;西伍茲位於英格蘭威爾特郡(Wiltshire)馬堡丘陵(Marlborough Downs)南方,距離巨石陣約 25 公里。納許說:「大部分岩石都有著共同的化學物質,顯示它們來自同一區。」

圖/Google Map

納許表示,「撒森岩建構巨石陣標誌性的外圈,以及中央的馬蹄形三石結構,非常龐大。」英格蘭遺產委員會(English Heritage)介紹,三石結構指的是兩塊垂直岩石支撐上方的一塊水平石塊。巨石陣約在西元前 2500 年建造,經年風蝕雨淋,許多石塊已然掉落或失蹤,目前最高聳的石塊約 9.1 公尺,最重的石塊達 30 噸。

關鍵巨石核心棒,失而復得

1958 年,考古學團隊聘請鑽石切割公司「萬磨」(Van Moppes)搶救一組掉落的三石結構,工程人員在巨石上鑽了三個孔,取出三支巨石核心棒,再嵌入足以支撐三石結構的金屬棒。

其中一支直徑約 25 公分、長約 108 公分的巨石核心樣本,送給參與修復工程的萬磨雇員菲力普斯(Robert Phillips),他 1977 年獲准攜帶這個巨石陣樣本移民美國,輾轉各州後落腳佛羅里達; 2019 年,菲力普斯90大壽前夕,決定把樣本歸還英格蘭遺產委員會,讓研究團隊有機會一探巨石陣石材的來歷。

這支「菲利浦斯核心」(Phillips core)巨石核心樣本歸還的消息傳開後,第二支核心棒也在附近博物館被找著,但它並不完整,只剩18公分,其餘的部分以及第三支核心棒至今仍下落不明。

英格蘭遺產委員會將半根「菲利浦斯核心」交由納許團隊研究分析,另外半根則由委員會妥善保存。納許團隊利用「感應耦合電漿質譜儀」(Inductively coupled plasma mass spectrometry,簡稱 ICP-MS),詳盡分析半根「菲利浦斯核心」,精準辨識更多化學元素,接著比對另外 20 處的岩石樣本,發現巨石陣的岩石與西伍茲的岩石組成最接近。

納許說:「利用 21 世紀的科學技術探索新石器時代(Neolithic)的歷史,最終解答考古學家辯論數個世紀之謎,著實令人興奮。」

這項發表於開放式科學期刊《科學進展》(Science Advances)的研究結果,呼應了巨石陣在 4500 多年前被運送到現今地點的理論,當時是巨石陣建造的第二階段,凸顯建造者來自高度組織化的社會。

英格蘭遺產委員會考古學研究員蘇珊‧葛瑞尼里(Susan Greaney)說:「新研究得以確定巨石陣建造者在西元前 2500 年取材的地點,著實令人興奮。我們猜測撒森岩可能來自馬堡丘陵,但之前還無法確定,威爾特郡許多地區都有撒森岩,石材可能來自四面八方。」她表示,新證據反映出「建造者在此階段規劃縝密且考量周全」。

新研究結果也推翻了過往文獻假說,該假說認為其中一塊大型的「席爾石」(Heel Stone)為就地取材或早在其他石柱聳立前就已經在那兒。

17 世紀的英國自然哲學家約翰奧布里(John Aubrey)曾假設,奧佛頓森林(Overton Wood)與巨石陣之間可能有關係,奧佛頓森林可能是西伍茲的舊稱。葛瑞尼里說:「建造者想利用當時能找到最大且最耐用的石材,就近尋找也很合理。」

巨石陣的石材從何而來,一直是科學家想要搞懂的問題。圖/Photo © Pam Brophy (cc-by-sa/2.0)

青石來歷,去年驗明

地質學家和考古學家長期以來知道,巨石陣中較小的「青石」(bluestones)來自威爾斯(Wales)西方的普萊西利群丘(Preseli Hills),離巨石陣約 200 公里處;然而,此論點直到去年才有確切的地質學研究佐證。

英國考古學家湯瑪斯(Herbert Henry Thomas)1923 年宣稱,青石源自威爾斯西部,但當年缺乏有力科學證據而遭學界質疑。

英國倫敦大學(UCL)考古學研究所教授皮爾森(Mike Parker Pearson)領導的科研團隊,利用地球化學分析石柱的元素組成,確認青石來自威爾斯西部,但並非湯瑪斯所說的 Carn Menyn 礦場,而是普萊西利群丘的 Carn Goedog 和 Craig Rhos-y-felin 採石場,研究結果 2019 年刊載於《古物》(Antiquity)期刊。

學界普遍認為,新石器時代的建造者利用人力和畜力拖拉,或以木製滾輪運送等方式搬運巨石,但運輸路線仍是個謎。納許說:「當時肯定費了一番功夫,巨石陣的建造石材來自不同地區。」納許表示,研究團隊未來企盼運用各種技術,進一步解答巨石陣石材運送路線等謎團。

參考文獻

  1. Nash, D. J., Ciborowski, T. J. R., Ullyott, J. S., Pearson, M. P., Darvill, T., Greaney, S., … & Whitaker, K. A. (2020). Origins of the sarsen megaliths at Stonehenge. Science Advances, 6(31), eabc0133. DOI: 10.1126/sciadv.abc0133
  2. Pearson, M. P., Pollard, J., Richards, C., Welham, K., Casswell, C., French, C., … & Bevins, R. (2019). Megalith quarries for Stonehenge’s bluestones. Antiquity, 93(367), 45-62. DOI: 10.15184/aqy.2018.111
  3. 英格蘭遺產委員會
  4. Live Science:Returned chunk of Stonehenge solves long-standing monument mystery
  5. 路透 Scientists solve mystery of the origin of Stonehenge megaliths
  6. Science alert: We Finally Know Where The Megaliths of Stonehenge Really Came From
  7. 英國廣播公司 Missing part of Stonehenge returned 60 years on

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
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