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月球如何诞生?科学家最新理论将颠覆传统观点

2017年08月07日 16:56    作者:    来源:新浪科技    [纠错]

   

  图中是艺术家描绘的“索内斯蒂亚(Synestia)理论”,一颗假设天体由岩石蒸汽构成,它可能孕育月球。

   

  1973年12月13日,宇航员哈里森?施密特(Harrison Schmitt)在月球“宁静海”区域行走至一块岩石。

  新浪科技讯 北京时间8月7日消息,据国外媒体报道,教科书中提及月球是形成于火星质量大小的星球碰撞地球时形成的,但是最新证据对该观点提出置疑,研究人员认为月球以新的方式诞生。

  置疑“忒伊亚星球理论”

  1973年12月13日,宇航员哈里森·施密特(Harrison Schmitt)在月球“宁静海”区域行走至一块岩石,当时,他向指挥官尤金·塞尔南(Eugene Cernan)汇报称,这块岩石拥有较小的滑动轨迹,一直延伸至山丘,这块岩石从山坡滚落留下了痕迹。随后他在这块岩石上采集了一些样本。

  施密特从这块岩石上凿取部分样本,之后他使用耙子刮掉岩石表面上的岩石粉末,凿取一块岩石样本将其命名为“橄长石76536”,它具有一定的历史研究意义。

  这块岩石及其它月球岩石样本,将揭晓月球是如何形成的,在过去的40年里,教科书和科学博物馆无数次地讲解了月球是如何形成的,普遍观点认为,月球形成于胚胎地球和类似火星的岩石星球之间的灾难性碰撞。这颗岩石星球被命名为“忒伊亚(Theia)”,其命名源自诞生“月之女神塞勒涅”的希腊女神忒伊亚。科学家猜测,忒伊亚星球猛烈撞击地球,撞击碰撞非常快,导致两颗星球同时融化,最终,忒伊亚星球的残骸冷却凝固,形成现今我们所看到的月球。

  但是近年来科学家对“橄长石76536”和其它月球、火星岩石样本进行测量,对“忒伊亚星球理论”提出了置疑。在过去5年时间里,一系列研究暴露出一个问题:“忒伊亚星球理论”作为权威性理论,这种巨大碰撞假说无法与相关证据相匹配。如果忒伊亚星球碰撞地球,之后形成月球,那么月球是由忒伊亚类型物质构成,但是月球并不像忒伊亚星球,也不像火星,就月球物质的原子结构而言,它几乎和地球完全一样。

  面对这一差异性,月球研究员寻求新的理论来理解月球是如何诞生的,最明显的解决方案也可能是最简单的,同时,最新理论也对理解早期太阳系提出了更多挑战:第一种可能是或许忒伊亚星球形成月球,但是忒伊亚星球物质几乎与地球物质相同;第二种可能是该碰撞过程彻底混合了任何事物,均质化全异团状物质和液体,就像使用面糊摊薄饼一样,这可能发生在一个非常高能量的碰撞过程,或者产生多颗卫星的系列碰撞,之后多颗卫星结合在一起;第三种解释将挑战我们对行星的认识,有可能现今的地球和月球经历了奇特的变形,疯狂的轨道变化显著改变了它们的旋转,并影响了它们未来演变。

   

  目前共有4种月球形成理论:大型碰撞;“索内斯蒂亚(Synestia)”;小卫星和双碰撞过程。

   

  美国加州大学戴维斯分校行星科学家萨拉?斯图尔特和她的学生哈佛大学西蒙?洛克。

  四种方式形成月球

  当前月球形成主流理论遭到置疑,科学家们提出了其它月球形成观点,目前共有4种月球形成理论:大型碰撞;“索内斯蒂亚(Synestia)”;小卫星和双碰撞过程。

  大型碰撞理论形成于上世纪70年代,是指一颗叫做“忒伊亚”的火星大小岩石星球与年轻地球发生碰撞。此次碰撞形成盘状残骸,最终合并形成月球。近期研究发现了该理论的矛盾性:大型碰撞事件表明,月球应当是由类似忒伊亚星球物质构成,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。

  “索内斯蒂亚(Synestia)理论”是指原始地球拥有充足能量,可以蒸发两个天体,形成一个叫做“索内斯蒂亚”的新宇宙天体结构,旋转的炽热残骸云彻底混合了忒伊亚和地球的物质,从而形成一个具有完全相同地质化学成分的地球-月球系统。

  小卫星理论显示,月球并非形成于一次大型撞击事件,每次月球大小碰撞体形成残骸盘,最终合并形成一颗小卫星。连续碰撞逐渐增加小卫星数量,所有小卫星最终结合形成月球。

  双碰撞过程可能是最简单的月球形成理论,该理论显示忒伊亚与年轻地球构成物质相同,这种可能性很大程度上挑战了我们对行星系统形成的认知。

  关于忒伊亚星球理论的坏消息

  为了理解地球最重要的日子发生何种变化,将有助于分析太阳系的早期阶段,45亿年前,太阳被炽热、环形残骸云包围,恒星形成元素盘绕在新生太阳周围,并逐渐冷却,历时万古时代,在一个我们无法理解理解的过程中,逐渐形成团状物质,形成微行星,之后逐渐形成体积较大的行星。这些岩石天体猛烈频繁碰撞,并且彼此汽化,这是一个难以形容残酷的“台球地狱”,地球和月球逐渐形成结构。

  为了形成当前的月球结构大小、旋转和远离地球的速度,我们最佳计算模型表明,任何与地球发生碰撞的天体,都应当具有火星体积大小。任何更大或者更小的天体将产生比我们看到更大的角动量,同时,一个更大的抛射运动将抛出更多的铁元素进入地球轨道,形成月球的铁含量比现今更多。

  之前对“橄长石76536”和其它月球岩石样本的地球化学分析进一步支持该理论,他们发现月球岩石可能源自月球岩浆海洋,这种环境仅形成于一次大型天体碰撞。橄长石可以漂浮在岩浆海洋之上,就像是冰山漂浮在南极洲海面。基于这些物理约束,科学家推测月球可能形成于忒伊亚星球残骸,但这过程存在一个问题。

  追溯至早期太阳系,当岩石星球碰撞和蒸发,它们的成分混合在一起,最终形成不同区域。越接近太阳,其表面温度越高,较轻元素很可能升温和逃逸,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,岩石星球可以保持较多的水分,并保持较轻的同位素。正因为如此,科学家能够检测天体的混合同位素,从而鉴定分析太阳系从何而来,这就像带有一定口音的话语可透露出他的家乡所在地。

  这些差异非常显著,可用于分类行星和陨石类型,火星的化学成分完全不同于地球,例如:通过测量3种不同氧同位素比率,火星表面上的陨石可以很容易鉴别。2001年,瑞士研究人员使用先进质谱分析法重新测量了“橄长石76536”和其它30多个月球样本,他们发现这些样本的氧同位素与地球没有区别,此后,地球化学家研究了地球和月球上的钛、钨、铬、铷、钾和其它很难识别的金属元素,结果显示这两颗星球几乎完全相同。

  这对于忒伊亚星球理论是个坏消息,如果火星与地球、忒伊亚存在显著差异,那么月球也和火星差异较大,如果它们是相同的,则意味着月球一定是由地球的熔化部分形成,阿波罗任务采集的岩石样本与物理学所坚持原理存在直接冲突。

  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:“这一‘规范模型’正处于危机之中,当前虽未被完全推翻,但是已遭到科学界的严重置疑。”

   

  synestia理论认为,类似百吉饼的蒸汽岩石云环绕着一颗岩石行星。

   

  美国芝加哥大学地质物理学家尼古拉斯?达普哈斯手中拿着一块顽辉石,这是一种源自小行星的岩石,同时也存在于地球,右图是地球上的顽辉石。

  月球源自蒸汽盘

  斯图尔特曾试图协调该问题的物理限制,即需要一定体积、保持一定速度的撞击天体,并具有最新地质化学证据。2012年,她和搜寻地外文明研究所(SETI)的马蒂亚·库克(Matija ?uk)提出月球形成的最新物理模型。他们认为,当忒伊亚星球碰撞地球时,早期地球处于“旋转舞”状态。这种碰撞将产生一个盘状结构,盘旋在地球周围,有点儿像土星环,但是它仅持续大约24小时。最终,这个盘状结构会冷却凝固成月球。

  如果超级计算机不够强大,则无法完全模拟这一过程,但是计算模型表明,一颗天体抛射撞击快速旋转星球,将剥离大量地球质量,同时忒伊亚星球和地球的质量融合在一起,可以形成一颗星球,具有地球相同的同位素比率。

  然而,对于快速旋转的地球解释论而言,这一观点是正确的,然而,还有其它一些因素减缓了地球自转速度。在2012年的研究中,斯图尔特和库克认为,在某个特定轨道-共振相互作用下,地球可能将角动量转移至太阳。之后美国麻省理工学院的杰克·威兹德姆(Jack Wisdom)提出了几个不同方案,称角动量可以从地球-月球系统中抽离出来。

  但是没有一个解释令人完全满意。斯图尔特称,2012年进行的计算模型仍无法解释月球的轨道或者月球的化学成分。2016年,美国哈佛大学研究生西蒙·洛克(Simon Lock)和斯图尔特的学生建立了一个升级模型,提出一个之前未识别的行星结构。

  在这个理论中,地球和忒伊亚的每一部分都汽化形成一个膨胀云,其外形有点儿像一个厚百吉饼。膨胀云旋转速度非常快,达到“共转极限”临界点,膨胀云外侧边缘汽化成岩石环,其旋转速度非常快,逐渐使膨胀云形成一个新的结构,这是一个“肥胖的盘状结构”盘旋在内部区域。至关重要的是,圆盘并不像土星环那样与中心区域分离开来,也不像之前的巨大碰撞月球形成理论模型。

  这种结构是难以描述的,它没有表面结构,而是融化岩石云,膨胀云的每个区域形成融化岩石雨滴。洛克表示,月球在这种蒸汽环境中逐渐成长,最终蒸汽会降温冷却,形成地球-月球系统。

  考虑到膨胀云不同寻常的特征,洛克和斯图尔特认为月球的原始体应当起一个新名字,他们尝试了多次,最终命名为“索内斯蒂亚(Synestia)”,他们使用了希腊语前缀“syn-”,意思是同步,并且结合了女神赫斯蒂亚(Hestia)的名字,Synestia的意思是“共生连接结构”。

  斯图尔特说:“这些天体并非你想像的那样。”今年5月,斯图尔特和洛克撰写一篇关于Synestia物理学特征的文章,他们指出,Synestia月球起源论仍需进一步验证。他们将这一观点发表在行星科学会议上,表示他们的同事对此非常好奇,但却很难认同该观点,这可能是因为Synestia理论仍是一个观点,它不同于太阳系的环状行星,同时,作为原行星盘,虽然普遍存在于宇宙,但迄今人们未观测到它。洛克说:“这是一个非常有趣的研究观点,可以解释月球的特征。”

  小卫星群

  在太阳系的天然卫星中,地球的卫星可能最独特,因为仅存在一颗。水星和金星缺少天然卫星,部分原因是它们距离太阳太近,引力作用使它们的卫星轨道非常不稳定。火星有体积较小的火卫一和火卫二,有些人认为这是被俘获的小行星,还有一些人认为这是火星撞击形成的。同时,气态巨行星被一些卫星盘旋,一些卫星是岩石结构,一些卫星存在水,一些卫星是存在水的岩石结构。

  与太阳系的其它卫星相比,地球卫星的体积和质量较大,月球质量大约是地球质量的1%,而其它外部行星的卫星总质量低于主行星质量的0.1%,更为重要的是,月球包含着地球-月球系统80%的角动量。也就是说,月球对地球-月球系统80%的运动密切相关,对于其它外部行星卫星而言,它们仅占该系统不足1%的角动量。

  然而,月球并非始终具有这些质量,月球的表面结构证实它终身遭受碰撞轰击,以色列魏茨曼科学研究所行星科学家拉卢卡·鲁夫(Raluca Rufu)称,很可能月球的形成经历了多重碰撞。

  鲁夫在2016年发表的一篇研究报告中指出,地球的卫星并非“原始月球”,她进行模拟计算显示,至少是十几次碰撞事件,天体从不同角度、不同速度碰撞地球,形成一个盘状结构,最终形成“小卫星群”,本质上讲,这些小卫星体积小于现今的月球,小卫星之间的交互作用,以不同角度进行融合,最终形成现今看到的月球。

  行星科学家对鲁夫2016年发表在的研究报告非常感兴趣,美国西南研究所月球科学家罗宾·卡努普(Robin Canup)称,这项研究报告值得深入思考,然而当前还需要进行更多的测试进行验证。

  鲁夫并不确定是否这些小卫星锁定在它们的轨道位置,就像月球始终保持相同的方向朝向地球。如果是这样的话,她并不确定这些小卫星是如何合并的,这将是我们需要解决的问题。

  与此同时,一些专家认为另一种解释可以揭晓地球和月球之间的相似性,这可能是非常简单的答案。从synestia理论至小卫星理论,新的物理模型可能都没有实际意义,很可能月球就仅是类似于地球而已,就像科学家假设的忒伊亚星球一样。(叶倾城)

【责任编辑:秀才】