科学家给出解决天体起源新思路
时间:2017-12-07

  科学家提出解决天体起源的新思路 - 新闻 - 科学网

  在过去的几年中,计算机模拟,岩石同位素分析和月球探测获得的数据为解释地月系统的特征提供了新的可能性。

  月亮的组成与地球的组成相似。

  来源:BRIAN A. VIKANDER / CORBIS

  在广袤的天空中,月球对人类来说是熟悉的景象。月球起着巨大的作用,它可以使地球稳定地旋转,并在几度内控制地球绕地球轴线的倾斜,没有月球,地球的状态就会处于动荡状态,地球轴的倾角将达到几十度。如此大的变化可能不会阻碍生活,但会导致根本不同的气候。

  了解月球的形成对于了解地球和其他行星的形成是至关重要的,从20世纪80年代开始,研究月球起源的学者就集中在大碰撞理论上,理论认为,一颗行星大小的物体与新出现的地球和其余的碎片撞击月球,如此巨大的碰撞在45亿年前的太阳系中是常见的,这是地球形成的最后阶段。

  但是人们仍然不能明确地了解地球和月球产生了什么样的影响。在过去的几年中,计算机模拟,岩石同位素分析和月球探测获得的数据为解释地月系统的特征提供了新的可能性。

  主要的挑战是解释地球和月球的动力学,特别是地球24小时内所包含的月球轨道和总角动量,并解释地球和月球之间的相似性和少数关键差异大量的碰撞提供了所需的角动量,但是碰撞产生了大量的碎片,众所周知,内太阳系中的大多数天体与地球的组成不同,如果坠落的组成天体和地球是完全不同的,为什么月球的组成与地球的外部成分相似呢?

  月球和地球的构成明显不同。核心是富含铁的,占地球质量的30%,而铁占月球质量的比例不到10%。在月球中也缺乏易挥发的元素,例如钾,可能是由于与大型碰撞相关的月球形成。

  回溯到70年代的阿波罗使命的样本分析表明,月球和地球硅酸盐地幔含有与火星和大多数小行星带完全不同的同位素。近年来,科学家们发现月球与地球之间越来越相似。构成月球和地球的铬,钛,钨和硅同位素也似乎是相同的。

  NASA重力恢复和内部实验室(GRAIL)探测器对月球的重力观测和NASA月球轨道器的地形数据表明,月球的壳厚度和铝含量并没有原先想象的那么高。这些观察表明,月球和地球所含的难熔元素同样丰富,而不是以前被认为比地球更富有的月球。

  这些数据共同表明,月球的形成有两种可能性。首先,在发生剧烈碰撞后,飞离物质(主要由硅酸盐地幔组成)形成月球。其次,月球和地球由硅酸盐组成的地幔和地壳由一种相同的混合物组成,这两种过程都可能有一些特殊情况。

  研究人员使用模拟来调查月球是否由碰撞形成。由于大的碰撞产生的高能量足以熔化甚至蒸发小行星,压力和相变都被纳入模型中。引力相互作用和扭矩也是模型考虑的因素。一场巨大的碰撞将会导致地球变形,并引起爆发的碎片形成一个盘状体。另外,地幔和岩心所含的物质也是模型考虑之一。

  目前,最权威的影响模式诞生于20世纪70年代。根据这个模型,一个火星大小约为地球质量10%到15%的月球从侧面缓慢地与地球相撞。

  小行星撞击使得地球的转速变得非常快,5小时可以是一个旋转,而此时月球的轨道接近地球。

  引力相互作用和扭矩导致月球的轨道从地球漂移。在这个过程中,地球的旋转速度也在减慢,最终使电网在当前的24小时内旋转,这个模型与月球的质量一致,说明了地月系统中的角动量,在月球中缺乏铁。

  但是,用这个模型来解释更复杂的化学反应是很困难的。根据撞击模型,月球是在盘状天体凝聚后形成的。它的物质组成主要来自地幔碰到天体。然而,撞击者不可能和早期的地球有相同的组成。例如,火星氧同位素的组成是地球氧同位素组成的50倍以上,如果撞击者与地球的差异与火星与地球的差异相同,仍然可以检测到差异即使经过一次大的碰撞。

  在这方面,行星科学家Kaveh Pahlevan和David Stevenson在2007年提出了一个优雅的解释,那就是均衡理论。他们认为,从盘状天体发出的水汽与地球表面相互混合,是碰撞后和月球形成之前发生的过程。不过,这个建议有很多解释。这些水蒸气至少需要100年才能完全扩散和混合。

  月球的内部可能含有撞击物质,尽管月球上的岩石并没有这样的特征,但这只能反映出月球内部数百公里的距离。另一个挑战是,在冲击后蒸发期间,挥发性元素比耐火材料更容易混合,而土壤和月球氧和钛的组成是相同的。

  2012年,行星科学家Matija Uk和Sarah Stewart扩大了月球形成的可能性。地球的椭圆形导致月球以椭圆轨道绕地球运行。而随着轨道的延伸,月球的革命时间也在增加,这个过程被称为岁差。他们表明,当月球和地球的前银河系年份达到1年时,就像地球绕太阳旋转一周时一样,月球和太阳之间会有一种共振的状态,当这个状态的共振足够长,转速会减半。

  英国和斯图尔特提出了地球高速旋转的情况。比火星小一点,与地球相撞。由于地球的共振状态,地球的转速每周达到2〜2.5小时,随着地球的转速接近稳定临界速度,部分地幔被抛向轨道,形成圆盘形的物体。

  同样在2012年,科学家们提出了一个半全球影响的情景。月球由两颗行星相撞而成,每颗行星相当于地球质量的一半。这个模型比高速旋转模型简单,因为它不需要特定的前期效应。但是,该模型需要笨重的冲击器,因此不太可能被称为冲击。

  月球起源的研究不断变化。现有的碰撞模型都不是更有说服力的。各个领域的发展需要排除一些理论,最终引领人们走向新的方向。

  一条线索可能指向金星。金星的质量和它与太阳的距离与地球最为相似,但是科学家对于它的同位素组成并不确定。如果金星的“同位素与地球和月球相似,火星可能是另外一个异常,外星撞击者也许可能像地球一样,离开了威权主义冲击理论的许多反对意见。金星可能需要一个新的太空任务。

  (段辛涔)

  “中国科学”(2013-12-12第3版国际)