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地球或许有过两个月亮:两个天体“温顺”磕碰变成一个

作者:admin 发布时间:2019-10-29 19:54:54 浏览次数:216
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半个多世纪以来,月球一向在“嘲笑着”科学界最优异的脑筋,对行星科学家埃里克阿斯普豪格(Erik Asphaug)来说,他现已“受够了”。在阿斯普豪格出世三年前的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显着的相片,并用无线电将它们传回地球。由于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画中,能够看到一大片凹凸不平的淡灰色高地,这与月球另一面那些引人遥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古怪的差异,“我记住当我仍是小孩的时分,看到一个新闻节目展现了月球的远端,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,现已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,此刻他依然在等候对月球激烈不对称现象的解说。当搭档伊恩•加里克-贝瑟尔陈说他提出的答案时,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壮的潮汐,而其时月球还很年青,处于熔融状况。潮汐导致的拱起随后冻住在原地,构成了更厚的地壳和月球反面共同的地质结构。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,“所以答案必定是发作了奇观,把另一面的拱起消除了,这使得问题比从前愈加凌乱。”

在感到动火的一同,阿斯普豪格也遭到了启示。多年来,他一向致力于树立前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作业,”他说,“人们忘记了物体能够以较低的速度碰击。”这类作业是建设性的,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,或许彼此扔雪球”。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答复月球问题的答案,他找来博士后研讨者马丁朱兹,论述了自己的主意。假如地球开端有两个月亮,仅仅后来兼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,它从前盘绕地球,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绘,但对阿斯普豪格来说,这个概念不止于此;它展现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“温顺”磕碰。

月球裂变说和大磕碰说

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从前研讨的根底之上。事实上,关于月球来源的第一个真实科学的描绘也是盘绕两个星球之间的彼此作用打开的,但它幻想的是别离而非连接。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,就像一个固执的孩子从旋转木立刻摔下来相同。他估测,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”说存在了很长时刻,在阿波罗登月之前都很盛行。但从动力学的视点来看,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;即便有,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,只与大陆的现代摆放有关,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结构的概念早了近90年)。

其他关于月球来源的故事接二连三,每一个故事都假定了地球和月球之间不同的联络,但又都有其丧命的缺陷。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壮,不足以设下圈套。其他一些研讨人员,如法国数学家爱德华罗奇以为,在太阳系前期,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,短少简单蒸腾的化合物,即挥发物,从前并合的国际应该愈加挨近才对。

可是,在许多其他方面,月球的化学成分又与地球十分相似。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符合。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奇妙问题。

行星科学家剖析了一切错综凌乱的依据,在1975年宣布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强烈磕碰,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。在很短的时刻内(或许只要十年),这圈盘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,尽管依然存在不确定性,但该理论简直被遍及以为是对月球来源的最佳解说,可是,大磕碰说并没有答复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住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),由于某种原因,简直一切的玛丽亚地势都在月球近地一端,更遍及地说,前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”使命测量了月球地壳,证明月球背对地球的一侧更厚;该使命还发现,月球近地(并且只要近地)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,一切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。不断有主意被提出,在评论一段时刻之后,成果往往不令人满意,更常见的状况是,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45亿年前开端,从尘土到岩石,从小行星到行星,都在一个盘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相似圆盘的查询,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细微,才干让两个天体粘在一同,构成一个更大的天体,不然,行星就会中止成长,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奇妙之处,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地球或许有过两个月亮:两个天体“温顺”磕碰变成一个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,并且很凌乱”,他开端对他所谓的“近乎吸积”(almost-accretion)作业——即两颗行星不彻底磕碰的作业——感兴趣;以为这次巨大的碰击仅仅一系列或许发作的磕碰中的一个比如,终究这两颗行星都完好无缺地存活了下来。

“在抵达行星科学知识的极限之前,你需求做的作业是多么少,它不像物理学,你有必要整理400年的前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。你开端说,‘你是这么想的?真的吗?好吧,我也有个主意。’”

两个月亮?

在会议室里的彻悟让阿斯普豪格想到了大磕碰之后发作了什么。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符合。“咱们存在不合。这像是某种偶然”。

哈佛大学的天文学家马提亚库克(Matija Cuk)现已估测出第二个月亮或许来自哪里。他指出,当大磕碰发作一个巨大的、盘绕地球旋转的气化岩石环时,在同一轨迹上有两个安稳点,别离坐落月球前方60度和后方60度,这些安稳点就像引力潮汐池,安静的当地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,但随着时刻的推移,作业发作了改变。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,恩底弥翁的方位不再安稳,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许多熔融物,与其说这是一次巨大的碰击,不如说这是一次世界滑坡。这应该是你能幻想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,这一速度仅是开端导致这一进程发作的巨大碰击速度的百分之一。

假如你核算一下,你会发现碰击的当地会有一个拱起;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践形状相符合,他估量,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安稳的时期,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。

大磕碰还有其他风趣的成果。一切落在月球一个半球上的岩石分量会紧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胀大,构成GRAIL探测器看到的岩脉,所以,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,他供认这有点勉强,由于构成月球玛丽亚地势的熔岩流迸发时刻要晚得多,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散布不均树立了适宜的条件。

阿斯普豪格的观念很有说服力。尽管大磕碰不能解说月球一切反常的不平衡现象,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祸?

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,但缺少多样性“至少让阿斯普豪格的大磕碰模型更难保持”。像库克这样的动力学专家更支撑这个模型。可是,首要的批判并不是没有任何依据来辩驳大磕碰说——实践上的确没有——而是没有满足的依据来支撑它。

阿斯普豪格对此感同身受。“能够说地球或许有过两个月亮:两个天体“温顺”磕碰变成一个咱们的假说能解说许多作业,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好前史。不管大磕碰(假如发作过的话)期间以及磕碰之后发作了什么,必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,可是,每一个向月球发射相似使命的提议都被否决了。

走运的是,行星科学家还有另一些办法——一整套办法——来测验阿斯普豪格的模型,并了解行星和卫星怎么构成和演化,“近乎吸积”作业的依据或许就在咱们周围。彗星能够保存陈旧的磕碰作业遗址。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,相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奥特曼格斗进化0不对称,洞悉号探测器的作业将有助于地球或许有过两个月亮:两个天体“温顺”磕碰变成一个查询火星是否也遭到了碰击。

土星凌乱的卫星体系或许是多重碰击和兼并的成果,水星在构成进程中曾遭受过一次或屡次碰击,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,这其间趣味无量。

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