小行星贝努（Bennu）每1.2年绕太阳运行一周，大约每六年接近地球一次，最近时距离地球约30万公里（18.6万英里）。美国宇航局（NASA）的OSIRIS-REx探测任务曾远赴该小行星，采集了其表面的物质，并于2023年成功将样本送回地球。
2023年9月23日，一个载有约120克小行星物质的返回舱在犹他州沙漠降落。随后，全球各地的科学家获得了这些宝贵样本的微小切片，以便展开深入研究。
苏黎世联邦理工学院同位素地球化学教授Maria Schönbächler的实验室便是其中之一，她的团队获得了半克贝努样本。研究人员随即开始对这些样本进行检测，以寻找有关该小行星历史的线索。
这项已发表在《科学进展》（Science Advances）上的研究，揭示了一种独特的化学特征，不仅有助于确定贝努的起源，还为塑造早期太阳系演化过程提供了新的证据。
贝努的化学指纹揭示其宇宙亲缘关系
为了探究贝努的起源，苏黎世联邦理工学院的研究人员检测了三种元素的同位素：铁、钛和铬。
同位素是同一化学元素的不同形态，包含不同数量的中子，这使得它们的质量略有差异。通过测量这些同位素的相对含量，科学家可以识别出物质的化学指纹。这些特征为推断小行星原始成分的来源以及形成时间提供了重要线索。
分析结果显示，铁和钛在贝努的物质中分布得异常均匀。研究还发现，贝努、龙宫星（Ryugu）以及一类罕见的原始陨石（被称为CI陨石）之间存在着密切的化学关联。
CI陨石是早期太阳系的富碳残余物，在数十亿年的时间里经历的地质改造相对较少。在地球上回收的陨石中，这类陨石极为罕见。
贝努、龙宫星和CI陨石共享着惊人相似的同位素指纹，这表明它们的原始材料来自同一个古代宇宙尘埃储库。它们的化学特征也与已知的其他小行星、陨石群以及行星存在显著差异。
这些相似性为确定这些天体的形成位置以及太阳系最早阶段存在的环境条件提供了重要线索。
科学家发现贝努意料之外的诞生地
多年来，研究人员普遍认为，像贝努这样的原始小行星起源于太阳系外围，或许与彗星形成的遥远区域相同。他们还曾推测，贝努的原始物质是在太阳系发展的相对后期才聚集到一起的。
然而，这一项新的研究发现挑战了上述两种传统假说。
相反，研究人员提出，构成贝努、龙宫星和CI陨石的物质，是在被称为“水冰线”（water-ice line）的边界附近聚集的。
这一边界标志着年轻太阳周围原行星盘中的一个区域，在那里的温度足够低，水蒸气可以凝固成冰。大约45亿年前，这里可能是来自演化中太阳系不同区域物质的一个重要交汇点。
源自内太阳系和外太阳系的尘埃在这个边界附近发生了混合。水冰帮助最小的颗粒粘合在一起，使它们逐渐聚集成更大的天体。
“贝努是一个混合体：其物质并不明显匹配内太阳系或外太阳系，”Schönbächler表示。
其不同寻常的化学成分表明，贝努是由源自这两个区域的物质组合而成的，而不是来自单一的、孤立的源头。
木星可能在贝努的形成中发挥了关键作用
研究人员还提出了一种情景，用以解释这种混合是如何发生的，其中木星成为了一个关键角色。
在太阳系历史的极早期，即太阳诞生后的大约一百万年内，木星就开始迅速形成。当时，年轻的太阳被一个由气体、尘埃和冰组成的旋转盘所包围。
在这个盘中，无数的小颗粒逐渐碰撞并粘连，通过吸积过程构建出更大的天体。随着时间的推移，其中一些不断生长的天体演化成了小行星和行星。
随着木星质量的迅速增加，其巨大的引力开始重塑整个盘中物质的分布。
研究人员推测，这个不断生长的气态巨行星起到了一种结构屏障的作用，阻止了绝大多数较大颗粒跨越其轨道区域，但仍允许更细微的尘埃绕过它。
这些来自盘内不同部位的细小物质，随后在水冰线附近进行了广泛的混合。
根据提出的演化情景，贝努和龙宫星的母体，以及产生CI陨石的天体，正是由这些充分混合的物质形成的。
因此，木星不仅可能决定了这些古老小行星的形成位置，还可能影响了哪些成分被整合进它们的体内。
古代尘埃与冰揭示构建地球的成分
这一提出的形成模型还可以解释贝努两个最吸引人的特征：其丰富的含水物质以及与太阳高度相似的化学性质。
在水冰边界附近，随着温度的变化，冰会发生升华，释放出的水蒸气随后在较冷的区域再次凝结。这一过程有助于在贝努形成的物质中浓缩水分。
与此同时，木星的影响可能限制了较大颗粒的运动，使得该小行星的母体材料以细小尘埃为主。
由于这些微小的颗粒能够在星盘中高效循环并混合，它们保留了极其接近太阳整体元素混合比例的化学成分。
这个过程有点类似于家中细小的灰尘在许多不同表面扩散并沉降，而不是停留在单一位置。
这种广泛的混合可以解释为什么贝努的物质能够完美保留太阳系极早期所存在成分的代表性样本。
正如Schönbächler所说：“贝努可能为我们提供了观察地球等类地行星最终构建所依赖的原始化学成分的最佳窗口。”
贝努被认为是一颗极其原始的小行星，因为它的物质大约形成于45亿年前，自那时以来几乎没有经历过太多的化学改变。
这使得它的样本对于重建地球和其他岩石行星完成形成之前的环境条件具有极高的价值。
通过研究该小行星的化学性质，科学家可以更好地理解太阳系是如何演化的，以及哪些过程决定了其行星的化学组成。
贝努所含的含水矿物质和有机化合物，也使其成为研究早期地球如何获得生命必需化学成分的重要切入点。
尽管这些发现并未确切证实这些物质是如何抵达我们星球的，但它们为这些成分的起源以及它们在年轻太阳系中的分布提供了宝贵的证据。
探测火星卫星的新任务或将揭示更多奥秘p>
尽管取得了新的发现，但仍有几个问题悬而未决。
Schönbächler进一步指出：“我们现在想知道，其他小行星是否也具有与贝努和龙宫星相同的同位素特征。”
研究人员还希望更精确地确定木星是如何影响尘埃运动的，以及其引力效应是否促进了极细小颗粒的聚集。
更多的小行星样本将有助于科学家检验所提出的形成模型，并确定贝努的化学特征是否为其他古代天体所共有。
随着对贝努分析的完成，Schönbächler正期待着另一个审视早期太阳系物质的机会。
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）正在筹备一项针对火星两颗卫星之一——火卫一（Phobos）的样本返回任务。该任务计划于2026年10月底发射，旨在采集火星卫星的物质并将其带回地球。
“能够获得这些物质并在我的实验室进行分析，将是非常令人兴奋的，”她说道。
Schönbächler计划向JAXA申请获取这些样本。不过，科学界需要保持耐心。载有火卫一物质的返回舱预计要到2031年才会返回地球。
这些未来的样本可能会提供拼图的又一块重要碎片，帮助研究人员弄清早期太阳系的不同区域是如何交换物质，并最终孕育出我们今天所看到的行星、卫星和小行星的。