研究人员首次实时记录了小行星撞击中材料发生的情况。耶拿大学的Falko Langenhorst和DESY的Hanns-Peter Liermann团队在实验室中用矿物石英模拟了小行星撞击，并在钻石砧单元中以慢动作追逐它，同时用DESY的X射线源PETRA III监测它。

这一观察揭示了石英中的一种中间状态，它解决了数十年来关于在被小行星撞击的物质中形成特征薄片的谜团。石英在地球表面无处不在，例如，它是沙子的主要成分。该分析有助于更好地了解过去撞击的痕迹，并且可能对完全不同的材料具有重要意义。研究人员在Nature Communications上介绍了他们的发现。

小行星撞击是灾难性的事件，会产生巨大的陨石坑，有时会融化地球基岩的一部分。“然而，陨石坑通常很难在地球上被发现，因为侵蚀，风化和板块构造导致它们在数百万年内消失，”Langenhorst解释说。

因此，由于冲击力而发生特征变化的矿物通常可以作为撞击的证据。例如，石英砂(化学上是二氧化硅，SiO2)在这种撞击下逐渐转变为玻璃，然后石英颗粒被微小的薄片纵横交错。这种结构只能在电子显微镜下详细探索。例如，它可以在美国亚利桑那州相对较新和突出的巴林杰陨石坑的材料中看到。

“60多年来，这些层状结构一直是小行星撞击的指标，但直到现在还没有人知道这种结构最初是如何形成的，”Liermann说。“我们现在已经解开了这个几十年之谜。

为此，研究人员花了数年时间修改和推进技术，以便在实验室中在高压下研究材料。在这些实验中，样品通常在所谓的金刚石砧单元(DAC)中的两个小金刚石砧之间压缩。它允许以受控的方式产生极端压力 - 在地球内部或小行星撞击中普遍存在。

特征性薄片

在实验中，该团队使用了一个动态金刚石砧单元(dDAC)，其中压力可以在测量过程中非常快速地变化。有了这个装置，科学家们将小石英单晶压缩得越来越强，同时通过它们照射PETRA III的强烈X射线，以研究其晶体结构的变化。

“诀窍是让模拟的小行星撞击进行得足够慢，以便能够用X射线跟踪它，但不要太慢，这样小行星撞击的典型效果仍然可以发生，”Liermann说。秒级的实验被证明是正确的持续时间。

“我们观察到，在大约180，000个大气压的压力下，石英结构突然转变为更紧密的过渡结构，我们称之为玫瑰石状，”第一作者Christoph Otzen报道，他正在撰写关于这些研究的博士论文。“在这种晶体结构中，石英收缩了其体积的三分之一。特征性薄片正是在石英变成这种所谓的亚稳相的地方形成的，在我们之前没有人能够在石英中识别出来。

蔷薇石是一种氧化矿物，与各种材料已知的晶体结构同名。它不由二氧化硅组成，而是一种锑酸铅(铅、锑和氧的化合物)。

陷入混乱

“压力上升越高，样品中二氧化硅与玫瑰石状结构的比例就越大，”Otzen解释说。“但是当压力再次下降时，玫瑰石状薄片不会变回原来的石英结构，而是坍塌成结构紊乱的玻璃薄片。我们还在小行星撞击沉积物的石英颗粒中看到这些薄片。

薄片的数量和方向可以得出有关影响的结论。例如，它们指示冲击压力有多高。“几十年来，这种薄片一直被用来探测和分析小行星撞击，”朗根霍斯特指出，“但只有现在我们才能准确地解释和理解它们的形成。

对于这项研究，研究人员没有使用技术上可行的最高压力。“在最高压力范围内，会产生如此多的热量，以至于材料熔化或蒸发，”Langenhorst解释说。“凝固成岩石的熔融物质目前并没有给我们太多有用的信息。然而，重要的是矿物在固态中经历特征变化的压力范围，这就是我们在这种情况下研究的。

玻璃形成模型?

这些结果可能具有超越小行星撞击研究的意义。“我们观察到的可能是在完全不同的材料(如冰)中形成玻璃的模型研究，”Langenhorst指出。“这可能是晶体结构在快速压缩过程中的中间步骤中转变为亚稳相的通用路径，然后转化为无序的玻璃结构。我们计划进一步调查这一点，因为它对材料研究可能非常重要。

随着DESY的PETRA III计划转变为世界上最好的X射线显微镜PETRA IV，这样的研究在未来将更加现实。“200倍的X射线强度将使我们能够以200倍的速度运行这些实验，因此我们可以更真实地模拟小行星撞击，”Liermann说。