基于40Ar/39Ar年代学揭示小行星糸川的形成与演化历史

本研究通过分析隼鸟号探测器从小行星糸川（25143 Itokawa）采集的星尘颗粒，结合电子背散射衍射（EBSD）、飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）和40Ar/39Ar定年技术，揭示了其母体在45亿年前的冷却历史及42.2亿年前的破碎事件，为 rubble pile 型小行星的演化机制提供了关键年代学约束。

　　

小行星糸川（25143 Itokawa）作为日本隼鸟号探测器首次成功采样返回的地外天体样本来源，其独特的碎石堆结构（rubble pile）一直是行星科学研究的焦点。这类小行星并非完整岩体，而是由碰撞破碎后的碎片重新聚集形成，但其具体形成时间、母体特性及演化过程仍存在诸多未解之谜。糸川的样本为科学家提供了直接分析地外天体物质的宝贵机会，尤其是通过高精度年代学技术揭示其热历史和碰撞事件的时间序列。

为深入探究糸川的演化历史，研究团队对隼鸟号任务回收的三颗星尘颗粒（编号RA-QD02-0300、RA-QD02-0306和RA-QD02-0311）开展了多学科分析。主要技术方法包括：电子背散射衍射（EBSD）用于晶体结构分析和冲击变质评估；飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）进行微量元素分布测绘；以及⁴⁰Ar/³⁹Ar阶段加热定年法测定热事件年龄。此外，结合热扩散模拟（ArArDIFF算法）反演颗粒的热历史轨迹。所有样本均来自JAXA（日本宇宙航空研究开发机构）提供的糸川表土颗粒。

研究结果

1. 颗粒矿物学特征

三颗颗粒均显示平衡型矿物组合（橄榄石、斜长石、铬铁矿等），未发现明显冲击变质迹象（压力<15 GPa）。颗粒RA-QD02-0300中斜长石呈脉状结构，暗示可能存在重结晶熔体域；RA-QD02-0306以橄榄石为主，边缘含少量斜长石；RA-QD02-0311则呈现高温晶界迁移特征。

2. ⁴⁰Ar/³⁹Ar年代学结果

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  RA-QD02-0300给出4130±33 Ma的坪年龄，记录了一次热重置事件。

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  RA-QD02-0306获得4559±61 Ma的迷你坪年龄，代表母体变质冷却时代。

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  RA-QD02-0311未形成有效坪年龄，但低温度阶段显示约705±53 Ma的年轻热事件迹象。

3. 母体冷却与破碎事件模拟

结合热扩散模型，研究揭示糸川母体在>20公里深度处从800°C冷却至300°C耗时少于6400万年。约4.22 Ga时，母体因撞击破碎，碎片在温度分布不均的条件下重新聚合成碎石堆结构，并经历数千万年的缓慢冷却过程。未受显著热影响的颗粒（如RA-QD02-0306）证明碰撞过程中部分区域温度始终低于300°C。

结论与意义

本研究通过高精度年代学与热历史模拟，明确提出糸川母体破碎事件发生于42.2亿年前，且碎片重组后的冷却持续达1亿年。这一结果不仅为碎石堆小行星的形成机制提供了关键时间约束，还表明此类天体可通过内部热绝缘长期保存古老热记录。此外，糸川在后期持续遭受撞击改造（如7亿年前及更年轻事件），印证了碎石堆结构在太阳系撞击历史中的韧性。该研究深化了对小行星演化时序的理解，为未来小样本返回任务（如隼鸟2号、OSIRIS-REx）的数据解读建立了分析方法范式。