火星可能由混合的婴儿行星组成

太阳系并非一开始就是我们今天看到的平静旋转的球体。在太阳系的早期，许多小行星围绕着太阳旋转，相互碰撞，形成剧烈的碰撞。这场宇宙台球游戏非常激烈，以至于地球和火星等星球在诞生之初，大部分都是由光滑混合的岩石组成的液态团块。或者说，许多研究人员是这么认为的。

现在，通过仔细研究两块古老的火星地壳，一个研究小组得出结论，这颗红色星球的形成方式可能有所不同。他们的地球化学调查结果发表在本周的《自然地球科学》杂志上，表明在这颗星球的岩石外壳下，存在着两种类型的火星物质——未混合的火星婴儿行星遗迹，这些行星曾聚集成火星。研究人员根据水的痕迹将这两种物质区分开来，这也使有关地球和火星等岩石行星最初如何变湿的标准理论变得复杂。

亚利桑那大学的宇宙化学家杰西卡·巴恩斯说：“我们甚至没有计划测试整个过程。但正是我们从地壳中获得的结果让我们不得不回过头来重新审视这一假设。”

研究小组意外发现，这颗行星的形成故事仍然可以从其最小原子氢的分布中看出。大多数氢原子很轻，只包含一个质子。但偶尔它们会同时包含一个质子和一个中子。这些粒子被称为氘，但它们基本上只是重氢原子。研究人员可以通过测量重氢变体与其常见的较轻变体相比的稀有程度来研究行星各个部分的历史。

例如，火星大气中重物质的浓度似乎相对较高，因为普通氢更有可能在数十亿年内泄漏到太空中。一些研究人员怀疑，火星表面的岩石也会以同样的方式释放一些轻氢，但最终落到地球上的少数火星岩石并没有给出任何明确的答案。“火星陨石长期以来一直是个谜，”巴恩斯说，“因为它们的分布图各不相同。”

最初，研究小组打算研究地壳是否像大气一样失去了轻氢。为此，他们分析了两颗独特的陨石，它们被古代撞击抛入太空，坠落在地球上。其中一颗陨石因其深色而被称为“黑美人”，是许多地壳岩石的混合体，其中一些可追溯到 44 亿年前（火星约有 46 亿年历史）。另一颗陨石约有 40 亿年历史。两颗陨石都显示出从形成到现在至少被浸湿过一次的迹象。考虑到它们的年龄和这些浸湿事件，巴恩斯说，我们“仅从两个样本中就掌握了相当多的火星历史。”

当研究小组重建这段历史时，他们发现了一些令人费解的事情：与火星大气层不同，火星地壳中两种氢形式的相对含量似乎数十年来一直保持不变。

但随后他们更加仔细地思考了地壳的作用。地球大陆之间不断的摩擦不断将空气中的水（和氢）吸走并埋藏起来，而火星的地壳（几乎已经死亡）仍然冻结在原地——是行星内部的结晶。为了弄清其异常的氢含量意味着什么，研究小组必须进行更深入的挖掘。

他们深入研究科学文献，寻找火星岩石样本的氢含量测量数据，这些岩石起源于地幔中的地壳之下——地幔是构成火星大部分的更像熔岩的层。他们重点研究了熔岩，根据其成分（就元素而言）可将其分为两类，这表明它们来自火星地幔的两个不同位置。

两组深层岩石在所含氢变体的含量方面也存在差异。当研究人员模拟这两类岩石如何融合形成地壳时，他们发现了中间的氢比率，类似于他们之前在两块陨石中测量的值。

换句话说，这两条证据表明，火星深处存在两种不同类型的岩石，它们是由形成火星的小行星遗留下来的，就像混合不均匀的冰沙一样。如果年轻的火星像某些理论所认为的那样，足够暴躁，完全融化到其核心，那么这些岩石类型就会彻底混合，今天不会留下不同构造块的痕迹。

而且由于氢与氧混合形成水，新结果还暗示这颗红色星球的适度湿润有多种来源。一种常见的理论认为，像地球和火星这样的岩石行星的大部分水都来自一种被称为碳质球粒陨石的特殊陨石。但富含水的碳质球粒陨石往往都含有相似数量的两种氢，这与火星内部的双重性质相冲突。

巴恩斯说：“碳质球粒陨石对于水的输送绝对重​​要，但它们可能并不是故事的全部。”

接下来，她的一些同事将致力于开发火星早期的模拟，以了解混合熔体可能达到的深度。此类模型可能有助于弄清太阳系所有岩石行星的形成方式。与此同时，巴恩斯计划研究更广泛的火星岩石，以使新理论更加坚实。

“我们将继续分析新样本和其他陨石，”她说。“还有很多工作要做。”