原始月球是否曾经和另一颗地球卫星发生过碰撞,形成了我们今天所见到的月球?

文章作者:管理一号 | 2019-07-22
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原始月球是否从前和另一颗地球卫星发生过磕碰,构成了咱们今日所见到的月球?

北京时间7月22日消息,据国外媒体报道,半个多世纪以来,月球一向在“嘲笑着”科学界最优秀的脑筋,对行星科学家埃里克·阿斯普豪格(Erik Asphaug)来说,他已经“受够了”。

 

在阿斯普豪格出生三年前的1959年10月7日,苏联的“月球3号”(Luna 3)探测器飞过月球反面,拍下了一系列有颗粒感但特征明显的照片,并用无线电将它们传回地球。因为月球的自转与其公转彻底同步,因而一个半球总是指向地球,而另一个半球总是无法看见。在月球3号初次拍摄到的月球反面图像中,能够看到一大片高低不平的淡灰色高地,这与月球另一面那些引人遐想的明暗区域彻底不同,不是行星科学家的普通人也能看出这种奇怪的差异,“我记得当我还是小孩的时候,看到一个新闻节目展示了月球的远端,我觉得难以置信,一颗行星的两头居然会如此不同,”阿斯普豪格说。

 

2010年,已经是加州大学圣克鲁斯分校地球和行星科学教授的阿斯普豪格参加了一个研讨会,此刻他仍然在等待对月球强烈不对称现象的解说。当搭档伊恩•加里克-贝瑟尔陈述他提出的答案时,他一边听着,一边越来越忐忑不安。在这一最新的理论中,数十亿年前,地球的引力在月球上引发了强大的潮汐,而当时月球还很年轻,处于熔融状况。潮汐导致的拱起随后冻结在原地,构成了更厚的地壳和月球反面共同的地质构造。阿斯普豪格现在觉得这个观念其实讲不通,他表明,就像地球上涨潮时相同,在远端和近端都会呈现拱起,但这个理论只提到了远端的拱起,“所以答案一定是发生了奇迹,把另一面的拱起消除了,这使得问题比从前愈加复杂。”

 

在感到动火的一同,阿斯普豪格也遭到了启示。多年来,他一向致力于树立早期太阳系低速碰击的模型。“人们一向有成见,在重视碰击时只考虑超高速工作,”他说,“人们忘记了物体能够以较低的速度碰击。”这类工作是建设性的,而不是破坏性的:假如两个物体磕碰得满足慢,它们就会磕碰并粘在一同,“就像往房子的墙上扔泥巴,或者彼此扔雪球”。阿斯普豪格一向以为这种低速碰击能够解说彗星的构成,突然间,他意识到自己或许找到了回答月球问题的答案,他找来博士后研讨者马丁·朱兹,阐述了自己的想法。假如地球最初有两个月亮,仅仅后来合并成了咱们现在所知道的这个月亮,那意味着什么?

 

“那次研讨会一完毕,咱们就去了实验室,马丁给遭到另一个月亮碰击的月球进行了编码,”阿斯普豪格说道。这些核算的成果是为月球的不对称性供给了新的解说。在阿斯普豪格看来,凌乱的月球高地是另一颗地球卫星的残骸,它从前环绕地球,终究附着在月球外表。难怪地球的另一边看起来就像是另一个彻底不同的国际。新模型供给了对月球古代来源和现代外观的归纳描述,但对阿斯普豪格来说,这个概念不止于此;它展示了行星构成进程中一个更广泛、但在很大程度上被忽视的进程:两个天体的“温柔”磕碰。

 

月球裂变说和大磕碰说

月球是怎么构成的:模仿的原始月球和另一颗地球卫星之间的磕碰显现,磕碰后二者质量嵌合在一同,产生了不对称的半球。浅蓝色表明月球地壳、深蓝色为月球地幔,黄色为一层上地幔物质,代表了熔岩组成的“海洋”。另一颗卫星的大部分都以薄层堆积起来,构成了类似月球反面高地的山区。月球是怎么构成的:模仿的原始月球和另一颗地球卫星之间的磕碰显现,磕碰后二者质量嵌合在一同,产生了不对称的半球。浅蓝色表明月球地壳、深蓝色为月球地幔,黄色为一层上地幔物质,代表了熔岩组成的“海洋”。另一颗卫星的大部分都以薄层堆积起来,构成了类似月球反面高地的山区。

和大多数科学理论相同,阿斯普豪格的大磕碰模型也是树立在先前研讨的基础之上。事实上,关于月球来源的第一个真实科学的描述也是环绕两个星球之间的彼此作用打开的,但它想象的是别离而非连结。1878年,查尔斯·达尔文的儿子乔治·达尔文提出,月球是从快速旋转的重生地球上抛出的,就像一个任性的孩子从旋转木马上摔下来相同。他推测,地球上缺失的那块区域应该便是太平洋盆地。

 

这个“月球裂变”说存在了很长时间,在阿波罗登月之前都很盛行。但从动力学的角度来看,这种说法是不成立的。没有一种合理的办法能让地球旋转得满足快,以至于甩掉部分地表;即使有,也没有办法吸收满足的角动量来匹配地球和月球现在的物理状况。至于太平洋,则仅仅一个暂时性的特征,只与大陆的现代排列有关,大约44亿年前,当月球构成时,太平洋还不存在(当然,乔治·达尔文的理论比板块构造的概念早了近90年)。

 

其他关于月球来源的故事接踵而至,每一个故事都假定了地球和月球之间不同的关系,但又都有其致命的缺陷。美国天文学家汤玛斯·杰弗逊·杰克逊·希提出,月球是作为一颗独立的行星构成的,然后被地球捕获进入轨迹,该理论的缺陷是,地球的引力还不行强大,不足以设下陷阱。其他一些研讨人员,如法国数学家爱德华·罗奇以为,在太阳系早期,月球和地球是接合在一同的,该理论的缺陷是,当地球化学家研讨阿波罗宇航员带回的382公斤重的月岩时,他们发现月球的全体成分与地球不同,缺少容易蒸腾的化合物,即挥发物,从前并合的国际应该愈加挨近才对。

但是,在许多其他方面,月球的化学成分又与地球十分类似。月球岩石中两种不同类型氧元素的份额与地球岩石简直彻底吻合。氧元素的份额就像一个身份标签,能告知你某个物体是在哪里构成的。陨石有自己的份额,火星也有自己的份额,而从氧元素份额上看,月球就像是地球的孪生兄弟,因而能够说,月球和地球一点也不像,可是又像极了地球,另一方面,月球两头的不对称是又一个亟待解说的微妙问题。

行星科学家剖析了所有错综复杂的依据,在1975年发表的两篇开创性论文的启示下,构成了一种新的月球来源理论——大磕碰说(Giant Impact theory)。在这个模型中,地球诞生时并没有月球,地球在构成后不久,就与一个火星巨细的天体猛烈磕碰,这个天体一般被称为忒伊亚(Theia,希腊神话中月亮女神塞勒涅的母亲)。碰击使忒伊亚和地球外层的大部分一同蒸腾,一些物质被抛到太空深处,但大部分物质在“受伤”的地球周围构成了一个圆盘。在很短的时间内(或许只有十年),这圈环绕地球轨迹的物质凝聚成了月球。

大磕碰说轻松地解说了地-月体系的大部分化学和动力学特性,虽然仍然存在不确定性,但该理论简直被普遍以为是对月球来源的最佳解说,可是,大磕碰说并没有回答摆在咱们面前的一个无法忽视的重大问题:为什么月球会呈现今日这个姿态?

月球的不对称性

 

咱们眼中月球外表的昏暗部分其实是由冻结熔岩组成的巨大平原,称为“玛丽亚”(maria,拉丁文中的“海”,17世纪的天文学家伽利略以此来称号月表的低地),因为某种原因,简直所有的玛丽亚地势都在月球近地一端,更普遍地说,早期月球在面临地球的半球上的火山活动要活泼得多。美国国家航空航天局的“重力回溯及内部结构实验室”(Gravity Recovery and Interior Laboratory,简称GRAIL)任务测量了月球地壳,证实月球背对地球的一侧更厚;该任务还发现,月球近地(并且只有近地)半球存在一个由长线状埋藏特征组成的网络,行星地质学家将其解说为火山岩脉,答案好像清楚明了,所有这些不平衡都是地球引力构成的,但在物理上没有可信的办法来证明这种联络。

长期以来,人们一向企图解说这种不对称性。不断有想法被提出,在评论一段时间之后,成果往往不令人满意,更常见的情况是,人们彻底将这个问题抛到一边。2013年秋天,加州理工学院的戴维·史蒂文森在英国皇家学会联合主办了一场关于月球怎么构成的大型会议,他对许多搭档对这一问题的逃避感到好笑,“房间里有一头大象,但人们好像忽视了它,反而看着角落里的那只猫”。

在许多方面,阿斯普豪格的新模型是对月球构成的干流观念的有机延伸——事实上,是对当时关于行星怎么构成的整个考虑的有机延伸。重生的太阳系从45亿年前开始,从尘土到岩石,从小行星到行星,都在一个环绕重生太阳旋转的圆盘内逐步构成,从对陨石的剖析,到对其他重生恒星周围类似圆盘的查询,成果都很好地证明了这一点。当行星集合在一同时,越来越大的物体不得不彼此碰击,阿斯普豪格指出,其间一些磕碰有必要满足轻微,才干让两个天体粘在一同,构成一个更大的天体,否则,行星就会停止生长,咱们的太阳系就会变成一片破碎的废墟。

阿斯普豪格的职业生涯一向在探究这种磕碰进程的微妙之处,多年来,他对干流的大磕碰模型做出了重大贡献,协助改进了忒伊亚作为一个火星巨细的闯入者与地球碰击的进程,他说,在这个进程中,“我意识到,吸积并不完美,并且很复杂”,他开始对他所谓的“近乎吸积”(almost-accretion)工作——即两颗行星不彻底磕碰的工作——感兴趣;以为这次巨大的碰击仅仅一系列或许发生的磕碰中的一个例子,终究这两颗行星都完好无损地存活了下来。

“在到达行星科学知识的极限之前,你需求做的工作是多么少,它不像物理学,你有必要梳理400年的历史才干找到一个新颖的、没有处理的问题,”阿斯普豪格说,“在行星科学中,有许多基本问题都没有好的答案。你开始说,‘你是这么想的?真的吗?好吧,我也有个想法。’”

两个月亮?

 

在会议室里的顿悟让阿斯普豪格想到了大磕碰之后发生了什么。行星科学家一般以为磕碰之后只呈现了一颗卫星,但这并不是仅有的或许性,阿斯普豪格以为呈现两颗卫星的观念与他为彗星树立的核算机模型彻底吻合。“咱们存在分歧。这像是某种偶然”。

哈佛大学的天文学家马提亚·库克(Matija Cuk)已经推测出第二个月亮或许来自哪里。他指出,当大磕碰产生一个巨大的、环绕地球旋转的气化岩石环时,在同一轨迹上有两个稳定点,分别坐落月球前方60度和后方60度,这些稳定点就像引力潮汐池,安静的地方或许会构成第二个较小的天体。库克没有给这颗卫星起名字,可是为了表述清楚起见,这儿将它命名为恩底弥翁(Endymion),以希腊神话中月之女神塞勒涅的情人命名。

起先,月球和恩底弥翁和平共处,但随着时间的推移,工作发生了改变。引力的彼此作用导致主月球螺旋形远离地球,改变了整个体系的动力学,恩底弥翁的位置不再稳定,终究倒在了“爱人”的怀里,库克以为,恩底弥翁终究割裂,像小行星雨相同落在月球上,阿斯普豪格看到的另一种彻底不同的或许性。

当物体在同一轨迹上运行时,它们彼此碰击的速度十分慢,大约相当于物体下落的速度,因而不会构成冲击或构成很多熔融物,与其说这是一次巨大的碰击,不如说这是一次世界滑坡。这应该是你能想象到的最大的滑坡之一。在后期阶段,恩底弥翁的残骸将以每秒数百米的速度下落,这一速度仅是最初导致这一进程发生的巨大碰击速度的百分之一。

假如你核算一下,你会发现碰击的地方会有一个拱起;这是一种由密度稍低的物质构成的增厚地壳,在阿斯普豪格的模型中,拱起的形状与月球远端地壳的实际形状相吻合,他估计,恩底弥翁需求大约1000公里的宽度才干解说额定的地壳质量;这是一个合理的巨细,大约是现代月球直径的四分之一,这样一个小天体会在1亿年内冷却成固体岩石,这个年纪也大约是恩底弥翁变得不稳定的时期,当它碎裂后落在月球外表时,就会构成一个半球形的碎石场,正好能够解说月球远端较厚的地壳。

大磕碰还有其他有趣的成果。所有落在月球一个半球上的岩石重量会压缩富含放射性元素的熔融物质,迫使其向另一个半球移动,因而它不只构成了地壳不对称,还构成了热不对称。月球一侧的热量会集也或许导致它的膨胀,构成GRAIL探测器看到的岩脉,于是,月球远端的厚地壳,近端的火山活动,以及奥秘的月球岩脉,都能够用一次性解说清楚。

阿斯普豪格不太信任大磕碰能彻底解说月球惊人的不对称性——昏暗部分会集在月球的近侧,他承认这有点牵强,因为构成月球玛丽亚地势的熔岩流爆发时间要晚得多,大约在月球构成10亿年之后,可是,经过解说月球远端的地壳更厚,近端的内热更大,他的模型至少为剖析熔岩在两个半球的分布不均树立了适宜的条件。

阿斯普豪格的观念很有说服力。虽然大磕碰不能解说月球所有异常的不平衡现象,但的确解说了其间的大部分,不过,阿斯普豪格的观念迄今得到的反响并不火热,不是一个月亮,而是两个?天体的碰击会导致滑坡而不是灾难?

普渡大学资深行星科学家、GRAIL团队成员杰伊·梅洛什提出了一个问题,即月球地壳的密度在近端和远端是相同的,这怎么解说?恩底弥翁的密度很或许与月球外表的密度相同,但缺乏多样性“至少让阿斯普豪格的大磕碰模型更难维持”。像库克这样的动力学专家更支撑这个模型。但是,首要的批判并不是没有任何依据来反驳大磕碰说——实际上的确没有——而是没有满足的依据来支撑它。

阿斯普豪格对此感同身受。“能够说咱们的假说能解说许多工作,但相对来说,这是无法查验的,”他说,“咱们现在急需数据。”一个办法是在月球上树立地震台网,这样就有或许阅览由月球内部结构记载的完整历史。无论大磕碰(假如发生过的话)期间以及磕碰之后发生了什么,一定会在月球内部留下了深入的印记。美国国家航空航天局发射的洞悉号(InSight)探测器于2018年降落在火星,这是一个为火星树立的高精度地震观测站,但是,每一个向月球发射类似任务的提议都被否决了。

幸运的是,行星科学家还有另一些办法——一整套办法——来测试阿斯普豪格的模型,并了解行星和卫星怎么构成和演化,“近乎吸积”工作的依据或许就在咱们周围。彗星能够保存古老的磕碰工作遗址。冥王星和它的大型卫星卡戎(Charon)很或许便是在一次大型碰击中构成的,类似于构成月球的那次磕碰,新视野号飞船在2015年近间隔飞掠了冥王星,火星具有共同的南北不对称,洞悉号探测器的工作将有助于查询火星是否也遭到了碰击。

土星复杂的卫星体系或许是多重碰击和合并的成果,水星在构成进程中曾遭受过一次或多次碰击,这解说了金星富含铁的高密度结构,以及它炙热的地壳中不太或许存在水的原因。

月球带给人类的终极启示是,行星的构成既草率又赋有创造性,并且千差万别,而有了现代核算机代码,咱们能够探究十分大的参数空间,这其间趣味无穷。

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