天文科普:研究解密,月球是如何形成的?
来源:博科园
发布时间:2020-06-07
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地球是如何获得月球这颗天然卫星的?这是一个争论已久的问题,其中有巨大天体撞击理论,该理论认为月球是由早期地球与一颗名为Theia(忒伊亚)的火星大小岩石天体碰撞而成,并已成为众多解释中的领跑者。但关于这是如何发生的细节还不清楚,科学家们仍在努力解释许多观察结果。现在,发表在《自然地球科学》期刊上的一项新研究,解开了围绕撞击理论最大谜团之一:

揭示了到底发生了什么?即为什么假设忒伊亚存在,月球最终与地球几乎完全相同,而不是忒伊亚。根据撞击理论,忒伊亚是一个大致相当于火星大小或更小的天体,在45亿年前撞上了“成长”中的地球。这次碰撞产生了足够的热量,形成了岩浆海洋,并将大量碎片喷射到围绕地球的轨道上,这些碎片随后合并成了月球,该理论解释了地球和月球相互旋转的方式和速度。

地月是潮汐锁定的,这意味着月球在绕地球旋转时总是向地球显示相同的一面。这就是为什么我们中国在2019年将嫦娥四号航天器降落在月球背面时取得了这样的成就,即从地球上永远不可能与月球背面直接通信。月球和地球的组成几乎相同,不同之处在于,月球上的铁较少,氢等较轻的元素也较少,而氢是产生水所需的。巨型撞击理论解释了其中的原因,重元素铁将被保留在地球上。在撞击和喷射到太空中产生的热量,会将较轻的元素沸腾掉。

而地球和忒伊亚的其余物质会混合在一起,计算机模型再现了导致月球形成的事件,最符合所有观测结果的模型表明,月球应该由来自忒伊亚大约80%的物质组成。那么,为什么月球却可疑地与地球相似呢?一种解释是,忒伊亚和早期地球从一开始就有相同成分。但这似乎不太可能,因为我们太阳系中每个记录在案的行星体都有自己独特的组成。略有不同,反映了距离太阳的距离,也就是天体形成的地方。

另一种解释是,这两个天体的混合比预期要彻底得多,在月球上留下了一个不太清楚的忒伊亚签名。但这也不太可能,因为它需要比实际发生的影响大得多的影响。这项新研究通过表明地球和月球并不像之前想象的那样相似,从而解决了这一困境。研究人员非常精确地观察了阿波罗宇航员从月球带回的岩石中氧元素的同位素分布。在化学上,任何元素的原子核都是由称为质子和中子的粒子组成;某元素的同位素在原子核中的质子数量与常规版本相同,但中子数量不同。

在这种情况下,氧的同位素O-18,它有8个质子和10个中子,比更常见的O-16(有8个质子和8个中子)稍微重一些。研究表明,地球和月球的氧同位素组成略有不同,它们的剖面毕竟不一样。更重要的是,当观察月球地幔的岩石时,这种差异会增加,因为月球地幔是地表或地壳以下的一层,其氧同位素比地球更轻。这事很重要,因为地壳是混合残骸可能最终到达的地方,而深层则会有更多的忒伊亚碎片。

所以忒伊亚和地球不一样,月球和地球也不一样,但这些结果也让我们对忒伊亚本身有了更多了解。由于重力的原因,人们可能会期待更多更重的同位素更接近太阳。与地球相比,忒伊亚一定拥有更多较轻的氧同位素,这表明它可能形成于距离太阳比地球更远的地方。有了这项研究的结果,巨型撞击理论在解释月球形成方面跨越了另一个障碍,在这个过程中,我们也对忒伊亚本身有了更多了解。

博科园|www.bokeyuan.net

博科园|文:Christian Schroeder/The Conversation

参考期刊《自然地球科学》

DOI: 10.1038/s41561-020-0550-0

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