科学家给出解决天体起源新思路
2013年12月12日
作者：段歆涔
来源：中国科学报
解月球之谜还看金星
科学家给出解决天体起源新思路
在过去几年里，计算机模拟、岩石同位素分析、月球探测所获得的数据等为解释地月系统的特性提供了新的可能。
月球的构成与地球的外部成分相似。
图片来源：BRIAN A. VIKANDER/CORBIS
在浩瀚的天空中，月亮对人类来说是一个再熟悉不过的景象。月球发挥着巨大的作用：它能使地球稳定地旋转，将地球围绕地轴转动的倾斜角度控制在几度以内。如果没有月球存在，地球的运行状态就会发生混乱，地轴倾斜角度将达到数十度。如此大的变化可能不会阻碍生命的产生，但会导致一种截然不同的气候。
了解月球的形成对了解地球和其他行星的形成至关重要。自20世纪80年代起，研究月球起源的学者便将重点放在了“大碰撞”理论。该理论认为，一颗行星大小的天体和正在形成中的地球发生碰撞，撞击留下的碎片形成了月球。在45亿年前，即地球形成的最后阶段，这样巨大的碰撞在太阳系中很常见。
但人们仍不能具体地了解是怎样的冲击力产生了地球和月球。在过去几年里，计算机模拟、岩石同位素分析、月球探测所获得的数据等为解释地月系统的特性提供了新的可能。
主要挑战在于同时解释地球和月球的动态——尤其是月球轨道和地球上一天24小时中所包含的总角动量，以及协调两者诸多组成部分的相似之处和少数关键区别。“大碰撞”提供了所需的角动量，但撞击产生了很多碎片。众所周知，内太阳系中的大多数天体和地球的组成成分不同，如果陨落的天体和地球的成分完全不同，月球的构成为何与地球的外部成分如此相似？
同大于异
月球和地球在构成上有明显不同。地核富含铁元素，占地球质量的30%。与此相反，铁只占月球质量的不足10%。月球中还缺乏诸如钾这类容易蒸发的元素，这可能是由于月球形成与“大碰撞”有关。
20世纪70年代，对阿波罗系列任务带回的样本分析显示，月球和地球的硅酸盐地幔包含相同的同位素，这与火星及大部分小行星带的陨石成分大不相同。近年来，科学家发现了月球和地球越来越多的相似之处。构成月球和地球的铬、钛、钨和硅同位素似乎也是相同的。
美国宇航局（NASA）重力恢复与内部实验室（GRAIL）探测器对月球的重力观测和NASA月球勘测轨道飞行器的地形数据显示，月球的外壳厚度和其铝含量没有原先推测的那么高。这些观测结果表明，月球和地球所含的难熔元素同样丰富，而不是先前认为的月球比地球更丰富。
这些数据共同说明月球的形成有两种可能，一是剧烈碰撞发生后，飞离地球的物质（主要由硅酸盐地幔组成）形成了月球；二是月球和地球由硅酸盐构成的地幔和地壳分别由一个相同的混合物质构成。这两种形成过程都可能存在一些特殊情况。
碰撞模式
研究者通过模拟方法研究了月球是否由碰撞形成。因为大碰撞产生的能量很高，足以熔化甚至蒸发小行星，因此压力与相变被纳入模型之中。引力的相互作用及扭矩也是模型考量的因素。大碰撞将导致星球发生扭曲，并使其喷发的碎屑形成一种盘状天体。此外，地幔与地核所包含的物质也是模型的考量内容之一。
目前最权威的撞击模型诞生于20世纪70年代，根据该模型的解释：一颗火星大小、质量约为地球的10%~15%的小行星缓慢地从侧面撞击了地球，月球因此而形成。
小行星的撞击使得地球自转速度变得极快，5小时便可自转一周，而此时月球的运行轨道距离地球很近。
引力的相互作用及扭矩导致月球的运行轨道与地球渐行渐远，在这一过程之中，地球的自转速度也在变慢，最终定格为现在的每24小时自转一周。这一模型与月球的质量相吻合，也解释了地月系统中的角动量及月球缺乏铁元素的原因。
然而，该模型很难对更复杂的化学特性给出解释。撞击模型认为月球是在盘状天体冷凝后形成的，其物质组成主要源于撞击天体的地幔。但是，撞击物不大可能与早期地球具有相同的组成物质。例如，火星氧同位素的构成与地球氧同位素的构成相差50多倍。若撞击物与地球的差异和火星与地球的差异相同，那么即便经过一次大碰撞，这种差异仍然可以被探查到。
对此，行星科学家Kaveh Pahlevan和David Stevenson于2007年提出了一个“优雅”的解释，即平衡理论。他们认为，从盘状天体和地球外部散发出的水蒸气相互混合，而这一过程发生在碰撞之后、月球形成之前。但这一提议有很多解释不通的地方。这些水蒸气要彻底完成扩散和混合至少需要100年的时间。
理论延伸
月球内部可能含有来自撞击物的物质。虽然月球上的岩石没有显示出这样的特征，但这最多只能反映出月球内部几百公里深的情况。另一个难题在于：在撞击后的蒸发过程中，挥发性元素比难熔物质更易混合，而地球与月球氧和钛的成分却是相同的。
2012年，行星科学家Matija uk和Sarah Stewart拓展了月球形成的可能性。地球椭圆形的外形导致月球以椭圆形的轨迹围着地球运转。且随着轨道的延伸，月球公转的时长也在增加，这一过程也被称为岁差。他们证明，当月球与地球的岁差达到1年，与地球围绕太阳公转一周的时长一样时，月球与太阳之间会存在一种谐振状态，当这种谐振状态的持续时间足够长时，地球的自转速率便会被减半。
uk和Stewart提出了“高速自转地球”的情境，一颗略小于火星的小行星与地球相撞，受谐振状态影响，地球的自转速度达到每2~2.5小时一周。由于地球的自转速度已经接近保持稳定的临界率，因此地幔的一部分被甩到轨道上，导致了盘状天体的形成。
同样也是在2012年，科学家曾提出“半地球撞击”设想。月球是由两颗星球的撞击形成的，每一颗星球的质量都相当于地球质量的一半。该模型比高速自转模型更简单，因为它不要求特定的前期作用。但该模型却需要体积更大的撞击物，因此比撞击说的可能性要低。
月球起源研究正处于不断变化之中。现有碰撞模型都没有更引人注目的地方。各个领域的发展均需要将一些理论排除在外，最终将人们引入新的方向。
一条线索可能指向金星。金星的质量及其与太阳间的距离同地球最相似，但是科学家还不清楚其同位素构成。如果金星的同位素与地球和月球相似，那么火星可能是另一个“异常者”，并且一个外来撞击者的成分与地球相似或许是可能的，这就将许多异议排除出权威撞击理论。不过，要确定金星的同位素构成可能需要一项新的空间任务。
（段歆涔）
《中国科学报》 (2013-12-12 第3版 国际)