這張火星全球地圖上的顏色代表含有不同大小隕石坑的區(qū)域。藉由識別約9000萬個小型隕石坑，百萬研究人員得以計算出火星不同區(qū)域的太陽圖廷年代，發(fā)現(xiàn)有群隕石可能源自某個特定的中系最隕石坑。 PHOTOGRAPH BY LAGAIN ET AL. (2021),地球多年 NATURE COMMUNICATIONS 
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)美國國家地理（撰文：ROBIN GEORGE ANDREWS 編譯：邱彥綸）：奇特的火星隕石可追溯至太陽中系最大的火山結(jié)構(gòu)，這些巖石很可能是火星火山在一百萬多年前從圖廷隕石坑（Tooting Crater）中噴發(fā)出來的，科學(xué)家正借此拼湊出紅色星球的隕石隕石動蕩歷史。
大約100萬年前，可能坑中有顆小行星撞上了原本平靜的百萬火星表面。撞擊射出大量碎片，太陽圖廷其中部分巖石碎片劃破天空，中系最擺脫了火星重力，地球多年穿越黑暗的太空。
有些巖石最后來到了地球，并在穿過地球大氣層的過程中幸存，然后撞上地球表面──像是在2011年墜落在摩洛哥的一塊重達6.8公斤的碎片。現(xiàn)在，科學(xué)家將這些隕石命名為「耗乏輝麥長無球粒隕石」（depleted shergottite），超過12塊的太空巖石構(gòu)成了已知317顆火星隕石中耐人尋味的一部份──這是我們地球上唯一的火星物質(zhì)。
確認這些隕石來自火星的哪個區(qū)域，是拼湊火星歷史的關(guān)鍵，同時也是一項重大的科學(xué)挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，藉由隕石坑計數(shù)機器學(xué)習(xí)程式的幫助，有群研究耗乏輝麥長無球粒隕石的科學(xué)家團隊可能終于破解了這個懸案。他們得到的結(jié)論是，這些地質(zhì)噴發(fā)物來自火星塔爾西斯（Tharsis）火山高原上的一個火山口，而這片火山地形正是太陽系中最龐大的。
這個位于火星的「火山巨獸」擁有數(shù)千座獨立的火山，面積是美國大陸的三倍，由數(shù)十億年來無數(shù)的巖漿注入和熔巖流層層累積形成。塔爾西斯山群的質(zhì)量非常巨大，在形成過程中讓火星傾斜了20度。
如果這些隕石確實就像他們發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上的分析所顯示的那樣來自塔爾西斯，那么科學(xué)家就能夠找到并利用它們幫助確認，是什么樣的巨大力量建構(gòu)出足以傾斜火星的雄偉地形。
并未參與此項研究的格拉斯哥大學(xué)隕石專家盧克．戴利（Luke Daly）表示：「這真的可以改變我們對火星的理解。」
來自隕石的線索
大多數(shù)的火星隕石都屬于一種稱為輝麥長無球粒隕石（shergottite）的類別，這種隕石以印度小鎮(zhèn)斯赫爾加蒂（Sherghati）命名，因為這里在1865有居民看到一顆隕石從天而降。輝麥長無球粒隕石都是具有相似成分的火山巖，但其中一小部分稱為「耗乏輝麥長無球粒隕石」的類型則具有奇特的化學(xué)特征。
在火星上，某些元素（如釹和鑭）不太會與地殼下方「膏狀」地函中的礦物質(zhì)結(jié)合。而耗乏輝麥長無球粒隕石缺乏這些元素──因此才有「耗乏」之稱，這顯示它們來自火星的地函。
但這些巖石是如何接近地表，而能在撞擊中噴飛呢？在地球上，地函巖石可以透過兩種方式來到地表：當(dāng)兩個地殼板塊分開而讓地函得以上升時，或是稱為「地函柱」（mantle plume）的超熱地函物質(zhì)噴泉從深處升起時。火星似乎從未有過板塊構(gòu)造，因此地函柱的是最有可能的狀況。
科學(xué)家根據(jù)隕石中特定元素的放射性衰變，得知這些巖石都來自一個相對年輕的火山位置──也許是一堆熔巖流組成的沉積物。
如果這些飛過太空的火山巖都來自某一次撞擊，那這次撞擊一定非常強大，留下至少3.2公里或什至更大的隕石坑。這個隕石坑應(yīng)該有110萬年左右的歷史，而隕石表面隨時間受到宇宙射線轟擊的改變，則揭露它們在撞擊后在太空中飛行了多長的時間。
然而，即便有了這些線索，要將這些火星巖石碎片追溯到它們的原始位置依舊極其困難。它們就像從整塊拼圖分離出來的一片片獨立拼圖：如果不知道它們最初的環(huán)境是什么樣子，幾乎不可能將它們放回火星的某個特定區(qū)域。
「身為一位地質(zhì)學(xué)家，我們會記錄許多有關(guān)巖石樣本采集地點的資訊，因為背景環(huán)境相當(dāng)重要。」在格拉斯哥大學(xué)研究火星隕石的博士生阿因．歐布萊恩（áine O'Brien） 說，他沒有參與此項研究。 「對火星隕石來說，因為我們不知道它原來所在的環(huán)境狀況，因此必須對當(dāng)時的形成過程做出非常有根據(jù)的猜測。」
為了讓推測更于理有據(jù)，科學(xué)家使用了行星科學(xué)領(lǐng)域的一種新工具：機器學(xué)習(xí)（machine learning）。
數(shù)百萬個隕石坑之一
確定行星表面年齡的唯一方法，是采集實質(zhì)的樣本并研究其中的放射性化合物。但美國航太總署（NASA）和歐洲太空總署（ESA）的火星樣本返回計畫要到2030年代才能將一些原始的火星巖石帶回地球。在那之前，研究人員需要仰賴一種稱為隕石坑計數(shù)（crater counting）的技術(shù)來估計火星的表面年齡。
在地球上，強風(fēng)、流動的水、噴發(fā)的熔巖和豐饒的生物會迅速抹去先前撞擊所產(chǎn)生的隕石坑。但在火星上則不然，這是個地質(zhì)活動闕如、風(fēng)力微弱且缺少地表液態(tài)水的世界。在火星上，相當(dāng)大型的隕石坑能在數(shù)億年或什至數(shù)十億年內(nèi)都保持完好無損的狀態(tài)。假設(shè)撞擊頻率隨時間的變化是已知的，那么有更多隕石坑的火星表面會比隕石坑較少的表面更為古老。
科學(xué)家可以利用其他方法來推斷隕石坑的年齡。 「當(dāng)小行星撞擊表面時，會有一堆碎片彈飛出來。」這項新研究的主要作者──科廷大學(xué)的行星地質(zhì)學(xué)家安東尼．拉加恩（Anthony Lagain）說。掉回火星的碎片會再度撞擊地表，并在原本的主隕石坑周圍形成較小的次級隕石坑。即使是在火星上，這些次級隕石坑也會在數(shù)百萬年內(nèi)被風(fēng)侵蝕，因此任何被次級隕石坑包圍的大隕石坑，一定都是在火星歷史的近期才形成的。
「為了更準確地推估地表的年代，我們需要找到更小的隕石坑，」科廷大學(xué)的天文地質(zhì)學(xué)家、該研究的共同作者格雷琴．貝內(nèi)迪克斯 (Gretchen Benedix) 表示。小型撞擊比大型撞擊更為常見，因此科學(xué)家可以利用兩個表面區(qū)域內(nèi)小型隕石坑數(shù)量的細微差異，來計算出更詳細的時間軸。
為了確定某個隕石坑的年齡是否恰好是110萬年，研究團隊必須對火星的小型隕石坑進行編目，并用它們來精確推斷火星表面的形成年代。如果完全以人工進行，那會是相當(dāng)痛苦的工作。因此他們將火星的軌道影像輸入機器學(xué)習(xí)程式，并訓(xùn)練它尋找直徑不到1公里寬的隕石坑。
科廷大學(xué)的數(shù)據(jù)科學(xué)家、該研究的共同作者哥斯達．塞維斯（Kosta Servis） 說，程式很快就發(fā)現(xiàn)了大約9000萬個隕石坑。有了隕石坑的時間線后，研究團隊便能縮小耗乏輝麥長無球粒隕石的可能起源范圍。
巨型火山的碎片
在篩選數(shù)據(jù)后，研究團隊在火星的火山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了19個大型隕石坑。這些隕石坑周圍散布著多個次級隕石坑──顯示這些行星傷痕可能與他們所尋找的110萬年隕石坑同樣古老。之后，研究人員利用9000萬個小型隕石坑的目錄，得以精確地推測從大隕行石坑輻射出來的碎片層年代，從而更準確地估計它們的年代。
有些隕石坑的年齡符合預(yù)期，但這樣還不夠。周圍地形的形成年代也必須與隕石中發(fā)現(xiàn)的礦物年齡相符才行。為了驗證這一點，研究團隊再次使用他們的隕石坑目錄確定火山平原的年代。
在這19個隕石坑中，只有兩個是從110萬年前撞擊事件產(chǎn)生的年輕火山沉積物中挖掘出來的：09-00015隕石坑和圖廷隕石坑。后者（以倫敦的一個地區(qū)命名）看起來是由強大的斜向撞擊所形成──這種撞擊會將大量的火星隕石送進太空。
「圖廷隕石坑有種特殊的多層噴射物沉積，這顯示撞擊發(fā)生時周圍有冰或水存在。」倫敦自然歷史博物館（Natural History Museum）的行星科學(xué)家彼得．格林德羅德（Peter Grindrod）說，他并未參與此項研究。撞擊模擬顯示，冰和水可以產(chǎn)生更多的碎片，如果動量足夠，就會有大量碎片逃逸到太空之中。
有了這些證據(jù)，研究團隊確定30公里寬的圖廷隕石坑就是耗乏輝麥長無球粒隕石的主要起源地。 「這是個相當(dāng)完善的論證，」戴利說：「一切似乎都很吻合。」
科學(xué)家還沒有完全排除 09-00015 隕石坑的可能性，但重要的是這兩個隕石坑「都位于塔爾西斯地區(qū)，那里有個巨大的熱點，或者說是超級地函柱，長久以來一直被認為是造成火星表面巨大隆起的原因。」格林德羅德說。不管隕石來自哪個特定的隕石坑，它們都可以告訴我們火星上最大火山區(qū)的歷史。
先前的隕石坑計數(shù)顯示，塔爾西斯地區(qū)的部分特征是在37億年前形成的，但較年輕的耗乏輝麥長無球粒隕石只有數(shù)億年的歷史。這表示塔爾西斯的超級地函柱幾乎與火星本身一樣古老，而且在火星其他許多火山中心消亡后相當(dāng)長的一段時間里，它仍持續(xù)產(chǎn)生巖漿。
就像地球的地函柱一樣，火星的地函柱幫助塑造了火星表面的演化，在大幅度改變火星地形的同時，也噴發(fā)出大量改變大氣的氣體。塔爾西斯超級地函柱可能對這顆紅色星球的發(fā)展，產(chǎn)生近乎持續(xù)性的影響。
火星頻繁噴發(fā)的日子早已過去，但塔爾西斯火山的持續(xù)活動支持了這樣的觀點：即使是那些原本應(yīng)該在數(shù)十億年前就失去內(nèi)部熱量的小型行星，也可以長期保持火山活動，時間遠遠超過我們的最初的估計。
解謎其他行星隕石坑
拉加恩的團隊受到這個發(fā)現(xiàn)的鼓舞，希望能夠進一步確認其他火星隕石的來源──包括一些最古老的隕石，這可能會揭露更多有關(guān)火星曾有大量液態(tài)水的歷史。
但這項研究的意義和未來可能的成功，都取決于機器學(xué)習(xí)程式是否能夠正確計數(shù)隕石坑數(shù)量。隕石坑的統(tǒng)計非常困難，例如：撞擊頻率隨時間的變化是估計出來的，火星上類似隕石坑的小型圓形結(jié)構(gòu)可能會騙過電腦程式。
約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室（Applied Physics Laboratory）的行星火山學(xué)家勞倫．喬茲維亞克（Lauren Jozwiak）表示，機器學(xué)習(xí)「是試圖解決這個問題非常有創(chuàng)意的方法 」，她并未參與此項研究。 「噢，我希望這個方法能夠成功，因為如果成功了，就能把這個方法應(yīng)用到其他行星上，那就太酷了！」
這項研究的作者對此表示贊同。 「火星很酷，」貝內(nèi)迪克斯說：「但這種演算法和方法不僅適用于火星，它還要上月球、到水星。」
如果機器學(xué)習(xí)真的解決了由來已久的隕石之謎，那它將為各種想不到的可能性敞開大門。 「可以說，我們才剛開始看到機器學(xué)習(xí)對行星科學(xué)的影響。」格林德羅德表示。