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地球可能有過兩個月亮

2019-07-22 09:54:40  來源:新浪科技

北京時間7月22日消息,據國外媒體報道,半個多世紀以來,月球一直在“嘲笑著”科學界最優秀的頭腦,對行星科學家埃里克·阿斯普豪格(Erik Asphaug)來說,他已經“受夠了”。

在阿斯普豪格出生三年前的1959年10月7日,蘇聯的“月球3號”(Luna 3)探測器飛過月球背面,拍下了一系列有顆粒感但特征明顯的照片,并用無線電將它們傳回地球。由于月球的自轉與其公轉完全同步,因此一個半球總是指向地球,而另一個半球總是無法看見。在月球3號首次拍攝到的月球背面圖像中,可以看到一大片高低不平的淡灰色高地,這與月球另一面那些引人遐想的明暗區域完全不同,不是行星科學家的普通人也能看出這種奇怪的差異,“我記得當我還是小孩的時候,看到一個新聞節目展示了月球的遠端,我覺得難以置信,一顆行星的兩端居然會如此不同,”阿斯普豪格說。

2010年,已經是加州大學圣克魯斯分校地球和行星科學教授的阿斯普豪格參加了一個研討會,此時他仍然在等待對月球強烈不對稱現象的解釋。當同事伊恩•加里克-貝瑟爾陳述他提出的答案時,他一邊聽著,一邊越來越坐立不安。在這一最新的理論中,數十億年前,地球的引力在月球上引發了強大的潮汐,而當時月球還很年輕,處于熔融狀態。潮汐導致的隆起隨后凍結在原地,形成了更厚的地殼和月球背面獨特的地質構造。阿斯普豪格現在覺得這個觀點其實講不通,他表示,就像地球上漲潮時一樣,在遠端和近端都會出現隆起,但這個理論只提到了遠端的隆起,“所以答案一定是發生了奇跡,把另一面的隆起消除了,這使得問題比以前更加復雜。”

在感到惱火的同時,阿斯普豪格也受到了啟發。多年來,他一直致力于建立早期太陽系低速撞擊的模型。“人們一直有偏見,在關注撞擊時只考慮超高速事件,”他說,“人們忘記了物體可以以較低的速度撞擊。”這類事件是建設性的,而不是破壞性的:如果兩個物體碰撞得足夠慢,它們就會碰撞并粘在一起,“就像往房子的墻上扔泥巴,或者互相扔雪球”。阿斯普豪格一直認為這種低速撞擊可以解釋彗星的形成,突然間,他意識到自己可能找到了解答月球問題的答案,他找來博士后研究者馬丁·朱茲,闡述了自己的想法。如果地球最初有兩個月亮,只是后來合并成了我們現在所知道的這個月亮,那意味著什么?

“那次研討會一結束,我們就去了實驗室,馬丁給受到另一個月亮撞擊的月球進行了編碼,”阿斯普豪格說道。這些計算的結果是為月球的不對稱性提供了新的解釋。在阿斯普豪格看來,雜亂的月球高地是另一顆地球衛星的殘骸,它曾經環繞地球,最終附著在月球表面。難怪地球的另一邊看起來就像是另一個完全不同的世界。新模型提供了對月球古代起源和現代外觀的綜合描述,但對阿斯普豪格來說,這個概念不止于此;它展示了行星形成過程中一個更廣泛、但在很大程度上被忽視的過程:兩個天體的“溫柔”碰撞。

月球裂變說和大碰撞說

月球是如何形成的:模擬的原始月球和另一顆地球衛星之間的碰撞顯示,碰撞后二者質量嵌合在一起,產生了不對稱的半球。淺藍色表示月球地殼、深藍色為月球地幔,黃色為一層上地幔物質,代表了熔巖組成的“海洋”。另一顆衛星的大部分都以薄層堆積起來,形成了類似月球背面高地的山區。

月球是如何形成的:模擬的原始月球和另一顆地球衛星之間的碰撞顯示,碰撞后二者質量嵌合在一起,產生了不對稱的半球。淺藍色表示月球地殼、深藍色為月球地幔,黃色為一層上地幔物質,代表了熔巖組成的“海洋”。另一顆衛星的大部分都以薄層堆積起來,形成了類似月球背面高地的山區。

和大多數科學理論一樣,阿斯普豪格的大碰撞模型也是建立在先前研究的基礎之上。事實上,關于月球起源的第一個真正科學的描述也是圍繞兩個星球之間的相互作用展開的,但它設想的是分離而非連結。1878年,查爾斯·達爾文的兒子喬治·達爾文提出,月球是從快速旋轉的新生地球上拋出的,就像一個任性的孩子從旋轉木馬上摔下來一樣。他推測,地球上缺失的那塊區域應該就是太平洋盆地。

這個“月球裂變”說存在了很長時間,在阿波羅登月之前都很流行。但從動力學的角度來看,這種說法是不成立的。沒有一種合理的方法能讓地球旋轉得足夠快,以至于甩掉部分地表;即使有,也沒有辦法吸收足夠的角動量來匹配地球和月球目前的物理狀態。至于太平洋,則只是一個暫時性的特征,只與大陸的現代排列有關,大約44億年前,當月球形成時,太平洋還不存在(當然,喬治·達爾文的理論比板塊構造的概念早了近90年)。

其他關于月球起源的故事接踵而至,每一個故事都假定了地球和月球之間不同的關系,但又都有其致命的缺陷。美國天文學家湯瑪斯·杰弗遜·杰克遜·希提出,月球是作為一顆獨立的行星形成的,然后被地球捕獲進入軌道,該理論的缺點是,地球的引力還不夠強大,不足以設下陷阱。其他一些研究人員,如法國數學家愛德華·羅奇認為,在太陽系早期,月球和地球是接合在一起的,該理論的缺點是,當地球化學家研究阿波羅宇航員帶回的382公斤重的月巖時,他們發現月球的整體成分與地球不同,缺少容易蒸發的化合物,即揮發物,曾經并合的世界應該更加接近才對。

然而,在許多其他方面,月球的化學成分又與地球非常相似。月球巖石中兩種不同類型氧元素的比例與地球巖石幾乎完全吻合。氧元素的比例就像一個身份標簽,能告訴你某個物體是在哪里形成的。隕石有自己的比例,火星也有自己的比例,而從氧元素比例上看,月球就像是地球的孿生兄弟,因此可以說,月球和地球一點也不像,但是又像極了地球,另一方面,月球兩端的不對稱是又一個亟待解釋的微妙問題。

行星科學家分析了所有錯綜復雜的證據,在1975年發表的兩篇開創性論文的啟發下,形成了一種新的月球起源理論——大碰撞說(Giant Impact theory)。在這個模型中,地球誕生時并沒有月球,地球在形成后不久,就與一個火星大小的天體猛烈碰撞,這個天體通常被稱為忒伊亞(Theia,希臘神話中月亮女神塞勒涅的母親)。撞擊使忒伊亞和地球外層的大部分一起蒸發,一些物質被拋到太空深處,但大部分物質在“受傷”的地球周圍形成了一個圓盤。在很短的時間內(也許只有十年),這圈環繞地球軌道的物質凝結成了月球。

大碰撞說輕松地解釋了地-月系統的大部分化學和動力學特性,盡管仍然存在不確定性,但該理論幾乎被普遍認為是對月球起源的最佳解釋,但是,大碰撞說并沒有回答擺在我們面前的一個無法忽視的重大問題:為什么月球會呈現今天這個樣子?

月球的不對稱性

我們眼中月球表面的陰暗部分其實是由凍結熔巖組成的巨大平原,稱為“瑪麗亞”(maria,拉丁文中的“海”,17世紀的天文學家伽利略以此來稱呼月表的低地),由于某種原因,幾乎所有的瑪麗亞地形都在月球近地一端,更普遍地說,早期月球在面對地球的半球上的火山活動要活躍得多。美國國家航空航天局的“重力回溯及內部結構實驗室”(Gravity Recovery and Interior Laboratory,簡稱GRAIL)任務測量了月球地殼,證實月球背對地球的一側更厚;該任務還發現,月球近地(而且只有近地)半球存在一個由長線狀埋藏特征組成的網絡,行星地質學家將其解釋為火山巖脈,答案似乎顯而易見,所有這些不平衡都是地球引力造成的,但在物理上沒有可信的方法來證明這種聯系。

長期以來,人們一直試圖解釋這種不對稱性。不斷有想法被提出,在討論一段時間之后,結果往往不令人滿意,更常見的情況是,人們完全將這個問題拋到一邊。2013年秋天,加州理工學院的戴維·史蒂文森在英國皇家學會聯合主辦了一場關于月球如何形成的大型會議,他對許多同事對這一問題的回避感到好笑,“房間里有一頭大象,但人們似乎忽視了它,反而看著角落里的那只貓”。

在很多方面,阿斯普豪格的新模型是對月球形成的主流觀點的有機延伸——事實上,是對當前關于行星如何形成的整個思考的有機延伸。新生的太陽系從45億年前開始,從塵埃到巖石,從小行星到行星,都在一個圍繞新生太陽旋轉的圓盤內逐漸形成,從對隕石的分析,到對其他新生恒星周圍類似圓盤的觀察,結果都很好地證明了這一點。當行星聚集在一起時,越來越大的物體不得不相互撞擊,阿斯普豪格指出,其中一些碰撞必須足夠輕微,才能讓兩個天體粘在一起,形成一個更大的天體,否則,行星就會停止生長,我們的太陽系就會變成一片破碎的廢墟。

阿斯普豪格的職業生涯一直在探索這種碰撞過程的微妙之處,多年來,他對主流的大碰撞模型做出了重大貢獻,幫助改進了忒伊亞作為一個火星大小的闖入者與地球撞擊的過程,他說,在這個過程中,“我意識到,吸積并不完美,而且很復雜”,他開始對他所謂的“近乎吸積”(almost-accretion)事件——即兩顆行星不完全碰撞的事件——感興趣;認為這次巨大的撞擊只是一系列可能發生的碰撞中的一個例子,最終這兩顆行星都完好無損地存活了下來。

“在到達行星科學知識的極限之前,你需要做的事情是多么少,它不像物理學,你必須梳理400年的歷史才能找到一個新穎的、尚未解決的問題,”阿斯普豪格說,“在行星科學中,有很多基本問題都沒有好的答案。你開始說,‘你是這么想的?真的嗎?好吧,我也有個想法。’”

兩個月亮?

在會議室里的頓悟讓阿斯普豪格想到了大碰撞之后發生了什么。行星科學家通常認為碰撞之后只出現了一顆衛星,但這并不是唯一的可能性,阿斯普豪格認為出現兩顆衛星的觀點與他為彗星建立的計算機模型完全吻合。“我們存在分歧。這像是某種巧合”。

哈佛大學的天文學家馬提亞·庫克(Matija Cuk)已經推測出第二個月亮可能來自哪里。他指出,當大碰撞產生一個巨大的、圍繞地球旋轉的氣化巖石環時,在同一軌道上有兩個穩定點,分別位于月球前方60度和后方60度,這些穩定點就像引力潮汐池,平靜的地方可能會形成第二個較小的天體。庫克沒有給這顆衛星起名字,但是為了表述清楚起見,這里將它命名為恩底彌翁(Endymion),以希臘神話中月之女神塞勒涅的情人命名。

起初,月球和恩底彌翁和平共處,但隨著時間的推移,事情發生了變化。引力的相互作用導致主月球螺旋形遠離地球,改變了整個系統的動力學,恩底彌翁的位置不再穩定,最終倒在了“愛人”的懷里,庫克認為,恩底彌翁最終分裂,像小行星雨一樣落在月球上,阿斯普豪格看到的另一種完全不同的可能性。

當物體在同一軌道上運行時,它們相互撞擊的速度非常慢,大約相當于物體下落的速度,因此不會造成沖擊或形成大量熔融物,與其說這是一次巨大的撞擊,不如說這是一次宇宙滑坡。這應該是你能想象到的最大的滑坡之一。在后期階段,恩底彌翁的殘骸將以每秒數百米的速度下落,這一速度僅是最初導致這一過程發生的巨大撞擊速度的百分之一。

如果你計算一下,你會發現撞擊的地方會有一個隆起;這是一種由密度稍低的物質構成的增厚地殼,在阿斯普豪格的模型中,隆起的形狀與月球遠端地殼的實際形狀相吻合,他估計,恩底彌翁需要大約1000公里的寬度才能解釋額外的地殼質量;這是一個合理的大小,大約是現代月球直徑的四分之一,這樣一個小天體會在1億年內冷卻成固體巖石,這個年齡也大約是恩底彌翁變得不穩定的時期,當它碎裂后落在月球表面時,就會形成一個半球形的碎石場,正好可以解釋月球遠端較厚的地殼。

大碰撞還有其他有趣的結果。所有落在月球一個半球上的巖石重量會壓縮富含放射性元素的熔融物質,迫使其向另一個半球移動,因此它不僅造成了地殼不對稱,還造成了熱不對稱。月球一側的熱量集中也可能導致它的膨脹,形成GRAIL探測器看到的巖脈,于是,月球遠端的厚地殼,近端的火山活動,以及神秘的月球巖脈,都可以用一次性解釋清楚。

阿斯普豪格不太相信大碰撞能完全解釋月球驚人的不對稱性——陰暗部分集中在月球的近側,他承認這有點牽強,因為形成月球瑪麗亞地形的熔巖流爆發時間要晚得多,大約在月球形成10億年之后,但是,通過解釋月球遠端的地殼更厚,近端的內熱更大,他的模型至少為分析熔巖在兩個半球的分布不均建立了合適的條件。

阿斯普豪格的觀點很有說服力。雖然大碰撞不能解釋月球所有異常的不平衡現象,但確實解釋了其中的大部分,不過,阿斯普豪格的觀點迄今得到的反應并不熱烈,不是一個月亮,而是兩個?天體的撞擊會導致滑坡而不是災難?

普渡大學資深行星科學家、GRAIL團隊成員杰伊·梅洛什提出了一個問題,即月球地殼的密度在近端和遠端是一樣的,這如何解釋?恩底彌翁的密度很可能與月球表面的密度相同,但缺乏多樣性“至少讓阿斯普豪格的大碰撞模型更難維持”。像庫克這樣的動力學專家更支持這個模型。然而,主要的批評并不是沒有任何證據來反駁大碰撞說——實際上確實沒有——而是沒有足夠的證據來支持它。

阿斯普豪格對此感同身受。“可以說我們的假說能解釋很多事情,但相對來說,這是無法檢驗的,”他說,“我們現在急需數據。”一個方法是在月球上建立地震臺網,這樣就有可能閱讀由月球內部結構記錄的完整歷史。無論大碰撞(如果發生過的話)期間以及碰撞之后發生了什么,一定會在月球內部留下了深刻的印記。美國國家航空航天局發射的洞察號(InSight)探測器于2018年降落在火星,這是一個為火星建立的高精度地震觀測站,然而,每一個向月球發射類似任務的提議都被否決了。

幸運的是,行星科學家還有另一些方法——一整套方法——來測試阿斯普豪格的模型,并了解行星和衛星如何形成和演化,“近乎吸積”事件的證據可能就在我們周圍。彗星可以保存古老的碰撞事件遺跡。冥王星和它的大型衛星卡戎(Charon)很可能就是在一次大型撞擊中形成的,類似于形成月球的那次碰撞,新視野號飛船在2015年近距離飛掠了冥王星,火星具有獨特的南北不對稱,洞察號探測器的工作將有助于調查火星是否也受到了撞擊。

土星復雜的衛星系統可能是多重撞擊和合并的結果,水星在形成過程中曾遭受過一次或多次撞擊,這解釋了金星富含鐵的高密度結構,以及它炙熱的地殼中不太可能存在水的原因。

月球帶給人類的終極啟發是,行星的形成既草率又富有創造性,而且千差萬別,而有了現代計算機代碼,我們可以探索非常大的參數空間,這其中樂趣無窮。(任天)

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