月球是咋来的?科学家:最好的答案能在金星上找到

2017-08-24

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在过去40多年间,教科书中提及月球起源时都认为,与火星质量相当的岩石星球与地球发生剧烈碰撞,从而促使月球诞生。但是最新证据对这种观点提出了置疑,月球诞生的方式再次成为焦点。
1972年12月13日,阿波罗17号宇航员哈里森·施密特(Harrison Schmitt)在月球“宁静海(Sea of Serenity)”区域行走时遇到一块巨石。他向指令长尤金·塞尔南(Eugene Cernan)汇报称:“这块石头有自己的滑动轨迹,直通右侧的山上。”他还指着岩石从山坡上滚下来时留下的痕迹,塞尔南要求他收集部分样品。
施密特需要从巨石上凿下碎片,然后利用工具刮下粉末,以便采集岩石样本。这个样本后来被命名为橄长岩76536,并被载入历史。这块巨石和它的巨石兄弟们,将继续讲述整个月球是如何形成的故事。
在过去40年间,无数教科书和科学博物馆都宣称,月球是胚胎期的地球和火星大小的岩石星球发生灾难性碰撞产生的。这颗岩石星球被命名为忒伊亚(Theia),即生下月之女神塞勒涅(Selene)的希腊女神。忒伊亚曾与地球发生激烈碰撞,而且碰撞速度相当快,导致2颗星球都被融化。最终,忒伊亚残留的碎片冷却凝固,形成我们今天所看到的月球。
然而通过对橄长岩76536与其他从月球和火星采集到的岩石样本进行现代化研究,不禁令人怀疑起月球起源故事。在过去的五年里,许多研究都暴露出这样一个问题:即使拥有巨大影响力的假说,也没有相关证据进行佐证。如果忒伊亚撞击地球,并导致后来形成了月球,那么月球应该是由类似忒伊亚星球材料构成的。但月球既不像忒伊亚也不像火星,从原子角度看,它与地球几乎一模一样。
面对这种差异,月球研究人员正寻求新的思路来解释月球形成的原因。最明显的解决方案也可能是最简单的,但最新理论也对了解早期太阳系的形成造成其他挑战。月球起源最新理论:第一种可能是忒伊亚的确塑造了月球,但忒伊亚的材料构成几乎与地球完全相同。
第二种可能性是撞击过程彻底混合了所有事物,导致不同的团状物质和液体完全均匀化,就像煎饼面糊那样。这可能发生在极高能量的撞击中或者是一系列的撞击中,首先产生了许多卫星,它们最终合并成为月球。第三种解释挑战我们对行星的认识。可能是我们今天所熟知的地球和月球曾发生奇怪的蜕变,疯狂的轨道变化戏剧性的改变了它们的旋转方式,并影响到它们的未来演变。

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形成月球的4大理论有关月球形成的主流理论正不断受到质疑,为此科学家们正提出新的解释方案。传统月球起源理论共分为四种,包括大型碰撞、索内斯蒂亚碰撞、小卫星以及双碰撞理论。
1.大型碰撞是月球起源的最经典理论,形成于20世纪70年代。这种理论认为,名为忒伊亚的火星大小岩石星球与年轻的地球发生碰撞。此次碰撞形成盘状残骸,最终合并形成月球。然而近期研究发现了该理论的矛盾之处:大型碰撞事件的计算机模拟表明,月球应当是由类似忒伊亚星球的物质构成,然而月球地质化学研究显示,月球是由类似地球的物质构成的。
2.索内斯蒂亚理论认为,忒伊亚与原始地球碰撞后,巨大能量导致两个天体被蒸发,从而形成名为“索内斯蒂亚”的新宇宙天体结构,这个旋转的炽热残骸云彻底混合了忒伊亚和地球的物质,从而形成了具有完全相同地质化学成分的地球-月球系统。
3.月球可能并非形成于一次大型撞击事件,而是多次更小规模的碰撞形成了月球。这种理论认为,每次月球大小的天体碰撞地球后都会形成残骸盘,它们最终合并形成小卫星。连续碰撞会不断增加小卫星的数量,所有小卫星最终结合形成月球。
4.双碰撞过程可能是最简单的月球形成理论,该理论认为忒伊亚与年轻的地球拥有相同的构成物质,可是这种可能性在很大程度上挑战了我们对行星系统形成的认知。
传统理论受到质疑
了解地球最重要的日子可能发生了什么,也有助于了解太阳系的早期演变。在45亿年前,太阳曾被炽热的环状残骸云包围着。恒星形成的元素盘绕在新生的太阳周围,并逐渐冷却,经历了无数岁月,以我们无法完全理解的方式形成团状物质,然后成为微行星,之后形成越来越大的行星。这些岩石天体发生猛烈而频繁的碰撞,彼此汽化。正是在这种无法形容的、残酷的“台球地狱(billiard-ball hellscape)”中,地球和月球逐渐形成。
为了形成我们今天熟悉的月球,包括其大小、旋转以及远离地球的速度,我们最好的计算机模型显示,无论与地球相撞的是哪种天体,其体积应该与火星大小相当。任何较大或更小的天体与地球发生碰撞都会产生比我们看到的角动量大得多的系统。角动量是描述旋转物体或旋转物体系统的运动和质量的标准,比如旋转的地球,围绕着旋转地球旋转的月球等。角动量总是守恒的,这意味着只有当其他物体参与时,它才会增加或减少。同时,更大的抛射运动也会把太多的铁元素抛投到地球轨道上,导致月球上铁含量更高。
之前对橄长岩76536和其它月球岩石样本进行地球化学分析也进一步支持该理论。他们指出,月球岩石可能源自月球岩浆海洋,这种环境只能由巨大的天体碰撞产生。橄长岩可以漂浮在岩浆海洋之上,就像是冰山漂浮在南极洲海面上那样。基于这些物理限制,科学家推测月球可能是由忒伊亚星球残骸形成的,但这个过程存在一个问题。
追溯至太阳系早期,当岩石星球发生碰撞和蒸发,它们的物质混合起来,最终沉降为不同区域。越接近太阳,其表面温度越高,较轻元素很可能因温度升高而逃逸,最终残留较重的同位素(具有额外中子的变种元素)。当逐渐远离太阳时,岩石星球可以保持较多的水分,并保留较轻的同位素。正因为如此,科学家能够检测天体的同位素混合物,从而确定它们来自太阳系的何处,这就像某人的口音可透露出其家乡所在地那样。
这些差异非常明显,可被用来分类行星和陨石类型。例如,火星与地球的化学性质截然不同,可以通过测量三种不同的氧同位素的比值来确定火星陨石。2001年,瑞士研究人员使用先进质谱分析法重新测量了橄长岩76536和其他30多个月球样本。他们发现这些样本中的氧同位素与地球上的几乎没有区别。地球化学家已经研究了地球和月球上的钛、钨、铬、铷、钾、和其他难以识别的稀有金属,结果显示两颗星球几乎完全相同。
对于忒伊亚来说,这是个坏消息。如果火星与地球和忒伊亚明显不同,那么月球与火星也应该存在较大差异。如果它们是相同的,那就意味着月球一定是由地球熔化的碎片形成的。阿波罗任务采集的岩石样本与物理学所坚持的原理显然存在直接冲突。美国加州大学戴维斯分校行星科学家萨拉·斯图尔特(Sarah Stewart)说:“这种‘规范模型’正处于危机之中,虽然目前尚未被完全推翻,但其当前地位已经受到置疑。”
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