科学家给出解决天体起源新思路

在过去的几年里，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。

月球的组成与地球的组成相似。

资料来源:BRIAN A. VIKANDER/CORBIS

在广阔的天空中，月亮是人类熟悉的景象。月球起着巨大的作用:它能使地球稳定地旋转，并把地球绕地轴的倾角控制在几度之内。如果没有月亮，地球的运行状态将是混乱的，地轴将倾斜几十度。如此大的变化可能不会阻碍生活的生产，但它将导致一个完全不同的气候。

理解月球的形成对理解地球和其他行星的形成至关重要。自20世纪80年代以来，学者们对月球起源的研究一直集中在“大碰撞”理论上。该理论认为，一个行星大小的天体与正在形成的地球碰撞，碰撞留下的碎片形成了月球。如此巨大的碰撞在45亿年前的太阳系中很常见，那是地球形成的最后阶段。

然而，人们仍然不能确切地知道是什么撞击力产生了地球和月球。在过去的几年里，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。

主要的挑战是同时解释地球和月球的动力学——特别是月球的轨道和地球24小时中包含的总角动量，以及协调两者的许多组成部分之间的相似性和一些关键差异。“大碰撞”提供了所需的角动量，但碰撞产生了许多碎片。众所周知，太阳系内部的大多数天体与地球的成分不同。如果陨落天体和地球的成分完全不同，为什么月球的成分和地球的成分如此相似？

相同大于不同。

月球和地球的成分明显不同。地球的核心富含铁，占地球质量的30%。相比之下，铁只占月球质量的不到10%。月球上也缺乏像钾这样容易蒸发的元素，这可能是由于月球的形成和“大碰撞”造成的。

20世纪70年代，对阿波罗任务带回的样本的分析表明，月球和地球的硅酸盐地幔含有相同的同位素，这与火星和大多数小行星带的陨石成分大不相同。近年来，科学家们发现月球和地球之间越来越多的相似之处。构成月球和地球的铬、钛、钨和硅的同位素似乎也是相同的。

美国国家航空航天局的重力恢复和内部实验室(圣杯)探测器对月球的重力观测以及美国国家航空航天局月球侦察轨道器的地形数据表明，月球外壳的厚度及其铝含量并没有最初估计的那么高。这些观察表明，月球和地球同样富含难熔元素，而不是月球被认为比地球丰富。

这些数据表明月球的形成有两种可能性。一个是在剧烈碰撞后，从地球上飞出的物质(主要由硅酸盐地幔组成)形成了月球。其次，月球和地球的地幔和地壳是由硅酸盐制成的，是由相同的混合材料制成的。在两个形成过程中可能都有一些特殊情况。

碰撞模式

研究人员通过模拟研究了月球是否是由碰撞形成的。因为大碰撞产生的能量足够高，足以融化甚至蒸发小行星，所以模型中包含了压力和相变。重力和扭矩的相互作用也是模型中考虑的因素。大碰撞将导致行星扭曲，它喷发的碎片将形成一个盘状天体。此外，地幔和地核中包含的物质也是模型考虑的因素之一。

目前，最权威的影响力模型诞生于20世纪70年代。根据该模型的解释，一颗大小和质量约为火星10%~15%的小行星从侧面缓慢撞击地球，导致了月球的形成。

小行星的撞击使地球旋转得非常快，它可以每5个小时旋转一次，而月球的轨道离地球非常近。

重力的相互作用和扭矩导致月球轨道偏离地球。在这个过程中，地球的旋转速度也在减慢，最后它被固定在当前每24小时旋转一圈。这个模型与月球的质量一致，也解释了地月系统的角动量和月球缺乏铁。

然而，这个模型很难解释更复杂的化学特征。撞击模型认为月球是在盘状天体凝聚后形成的，其物质组成主要来自撞击天体的地幔。然而，撞击器不太可能具有与早期地球相同的成分。例如，火星的氧同位素组成与地球的氧同位素组成相差50多倍。如果撞击器和地球之间的差异与火星和地球之间的差异相同，那么即使在大碰撞之后，差异仍然可以被检测到。

作为回应，行星科学家卡韦·帕勒万和大卫·史提芬逊在2007年提出了一个“优雅”的解释，即平衡理论。他们认为，圆盘状天体和地球外部散发的水蒸气相互混合，这一过程发生在碰撞之后和月球形成之前。然而，这个提议有许多无法解释的地方。水蒸气需要至少100年才能完全扩散和混合。

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，但它最多只能反映月球内部几百公里深处的情况。另一个问题是，在撞击后的蒸发过程中，挥发性元素比难熔物质更容易混合，而地球和月球上的氧和钛的成分是相同的。

2012年，行星科学家马蒂亚·英国和莎拉·斯图尔特扩大了月球形成的可能性。地球的椭圆形状使月球以椭圆轨道绕地球运行。随着轨道的延伸，月球公转的持续时间也在增加，这一过程也被称为岁差。他们已经证明，当月球和地球之间的岁差达到一年时，也就是地球围绕太阳旋转的时间，月球和太阳之间会有共振状态。当共振状态持续足够长的时间，地球的旋转速度将减半。

英国和斯图尔特提出了“地球高速旋转”的情况。一颗比火星稍小的小行星与地球相撞。受共振状态的影响，地球的转速每周达到2~2.5小时。由于地球的旋转速度接近维持稳定的临界速度，地幔的一部分被抛入轨道，导致盘状天体的形成。

同样在2012年，科学家提出了“半地球撞击”的想法。月球是由两颗行星撞击形成的，每颗行星的质量等于地球质量的一半。该模型比高速旋转模型简单，因为它不需要任何特定的预效应。然而，这个模型需要更大的冲击器，所以它不太可能比冲击理论。

对月球起源的研究在不断变化。没有一个现有的碰撞模型更引人注目。各个领域的发展需要排除一些理论，最终引导人们走向新的方向。

一条线索可能指向金星。金星的质量及其与太阳的距离与地球最相似，但科学家仍不确定其同位素组成。如果金星的同位素与地球和月球的同位素相似，那么火星可能是另一个“异常”，外星人撞击物的成分可能与地球的成分相似，这就排除了权威撞击理论的许多异议。然而，确定金星的同位素组成可能需要一项新的太空任务。

(段鑫)

中国科学新闻(2013-12-12第三版国际版)