[科普中国]-月球如何诞生？科学家最新理论将颠覆传统观点

据国外媒体报道，教科书中提及月球是形成于火星质量大小的星球碰撞地球时形成的，但是最新证据对该观点提出置疑，研究人员认为月球以新的方式诞生。置疑“忒伊亚星球理论”1973年12月13日，宇航员哈里森·施密特（HarrisonSchmitt）在月球“宁静海”区域行走至一块岩石，当时，他向指挥官尤金·塞尔南（EugeneCernan）汇报称，这块岩石拥有较小的滑动轨迹，一直延伸至山丘，这块岩石从山坡滚落留下了痕迹。随后他在这块岩石上采集了一些样本。施密特从这块岩石上凿取部分样本，之后他使用耙子刮掉岩石表面上的岩石粉末，凿取一块岩石样本将其命名为“橄长石76536”，它具有一定的历史研究意义。这块岩石及其它月球岩石样本，将揭晓月球是如何形成的，在过去的40年里，教科书和科学博物馆无数次地讲解了月球是如何形成的，普遍观点认为，月球形成于胚胎地球和类似火星的岩石星球之间的灾难性碰撞。这颗岩石星球被命名为“忒伊亚（Theia）”，其命名源自诞生“月之女神塞勒涅”的希腊女神忒伊亚。科学家猜测，忒伊亚星球猛烈撞击地球，撞击碰撞非常快，导致两颗星球同时融化，最终，忒伊亚星球的残骸冷却凝固，形成现今我们所看到的月球。但是近年来科学家对“橄长石76536”和其它月球、火星岩石样本进行测量，对“忒伊亚星球理论”提出了置疑。在过去5年时间里，一系列研究暴露出一个问题：“忒伊亚星球理论”作为权威性理论，这种巨大碰撞假说无法与相关证据相匹配。如果忒伊亚星球碰撞地球，之后形成月球，那么月球是由忒伊亚类型物质构成，但是月球并不像忒伊亚星球，也不像火星，就月球物质的原子结构而言，它几乎和地球完全一样。面对这一差异性，月球研究员寻求新的理论来理解月球是如何诞生的，最明显的解决方案也可能是最简单的，同时，最新理论也对理解早期太阳系提出了更多挑战：第一种可能是或许忒伊亚星球形成月球，但是忒伊亚星球物质几乎与地球物质相同；第二种可能是该碰撞过程彻底混合了任何事物，均质化全异团状物质和液体，就像使用面糊摊薄饼一样，这可能发生在一个非常高能量的碰撞过程，或者产生多颗卫星的系列碰撞，之后多颗卫星结合在一起；第三种解释将挑战我们对行星的认识，有可能现今的地球和月球经历了奇特的变形，疯狂的轨道变化显著改变了它们的旋转，并影响了它们未来演变。四种方式形成月球当前月球形成主流理论遭到置疑，科学家们提出了其它月球形成观点，目前共有4种月球形成理论：大型碰撞；“索内斯蒂亚（Synestia）”；小卫星和双碰撞过程。大型碰撞理论形成于上世纪70年代，是指一颗叫做“忒伊亚”的火星大小岩石星球与年轻地球发生碰撞。此次碰撞形成盘状残骸，最终合并形成月球。近期研究发现了该理论的矛盾性：大型碰撞事件表明，月球应当是由类似忒伊亚星球物质构成，然而月球地质化学研究显示，月球是由类似地球的物质构成。“索内斯蒂亚（Synestia）理论”是指原始地球拥有充足能量，可以蒸发两个天体，形成一个叫做“索内斯蒂亚”的新宇宙天体结构，旋转的炽热残骸云彻底混合了忒伊亚和地球的物质，从而形成一个具有完全相同地质化学成分的地球-月球系统。小卫星理论显示，月球并非形成于一次大型撞击事件，每次月球大小碰撞体形成残骸盘，最终合并形成一颗小卫星。连续碰撞逐渐增加小卫星数量，所有小卫星最终结合形成月球。双碰撞过程可能是最简单的月球形成理论，该理论显示忒伊亚与年轻地球构成物质相同，这种可能性很大程度上挑战了我们对行星系统形成的认知。关于忒伊亚星球理论的坏消息为了理解地球最重要的日子发生何种变化，将有助于分析太阳系的早期阶段，45亿年前，太阳被炽热、环形残骸云包围，恒星形成元素盘绕在新生太阳周围，并逐渐冷却，历时万古时代，在一个我们无法理解理解的过程中，逐渐形成团状物质，形成微行星，之后逐渐形成体积较大的行星。这些岩石天体猛烈频繁碰撞，并且彼此汽化，这是一个难以形容残酷的“台球地狱”，地球和月球逐渐形成结构。为了形成当前的月球结构大小、旋转和远离地球的速度，我们最佳计算模型表明，任何与地球发生碰撞的天体，都应当具有火星体积大小。任何更大或者更小的天体将产生比我们看到更大的角动量，同时，一个更大的抛射运动将抛出更多的铁元素进入地球轨道，形成月球的铁含量比现今更多。之前对“橄长石76536”和其它月球岩石样本的地球化学分析进一步支持该理论，他们发现月球岩石可能源自月球岩浆海洋，这种环境仅形成于一次大型天体碰撞。橄长石可以漂浮在岩浆海洋之上，就像是冰山漂浮在南极洲海面。基于这些物理约束，科学家推测月球可能形成于忒伊亚星球残骸，但这过程存在一个问题。追溯至早期太阳系，当岩石星球碰撞和蒸发，它们的成分混合在一起，最终形成不同区域。越接近太阳，其表面温度越高，较轻元素很可能升温和逃逸，最终残留较重的同位素（具有额外中子的变种元素）。当逐渐远离太阳，岩石星球可以保持较多的水分，并保持较轻的同位素。正因为如此，科学家能够检测天体的混合同位素，从而鉴定分析太阳系从何而来，这就像带有一定口音的话语可透露出他的家乡所在地。这些差异非常显著，可用于分类行星和陨石类型，火星的化学成分完全不同于地球，例如：通过测量3种不同氧同位素比率，火星表面上的陨石可以很容易鉴别。2001年，瑞士研究人员使用先进质谱分析法重新测量了“橄长石76536”和其它30多个月球样本，他们发现这些样本的氧同位素与地球没有区别，此后，地球化学家研究了地球和月球上的钛、钨、铬、铷、钾和其它很难识别的金属元素，结果显示这两颗星球几乎完全相同。这对于忒伊亚星球理论是个坏消息，如果火星与地球、忒伊亚存在显著差异，那么月球也和火星差异较大，如果它们是相同的，则意味着月球一定是由地球的熔化部分形成，阿波罗任务采集的岩石样本与物理学所坚持原理存在直接冲突。美国加州大学戴维斯分校行星科学家萨拉·斯图尔特（SarahStewart）说：“这一‘规范模型’正处于危机之中，当前虽未被完全推翻，但是已遭到科学界的严重置疑。”美国芝加哥大学地质物理学家尼古拉斯?达普哈斯手中拿着一块顽辉石，这是一种源自小行星的岩石，同时也存在于地球，右图是地球上的顽辉石。月球源自蒸汽盘斯图尔特曾试图协调该问题的物理限制，即需要一定体积、保持一定速度的撞击天体，并具有最新地质化学证据。2012年，她和搜寻地外文明研究所（SETI）的马蒂亚·库克（Matija?uk）提出月球形成的最新物理模型。他们认为，当忒伊亚星球碰撞地球时，早期地球处于“旋转舞”状态。这种碰撞将产生一个盘状结构，盘旋在地球周围，有点儿像土星环，但是它仅持续大约24小时。最终，这个盘状结构会冷却凝固成月球。如果超级计算机不够强大，则无法完全模拟这一过程，但是计算模型表明，一颗天体抛射撞击快速旋转星球，将剥离大量地球质量，同时忒伊亚星球和地球的质量融合在一起，可以形成一颗星球，具有地球相同的同位素比率。然而，对于快速旋转的地球解释论而言，这一观点是正确的，然而，还有其它一些因素减缓了地球自转速度。在2012年的研究中，斯图尔特和库克认为，在某个特定轨道-共振相互作用下，地球可能将角动量转移至太阳。之后美国麻省理工学院的杰克·威兹德姆（JackWisdom）提出了几个不同方案，称角动量可以从地球-月球系统中抽离出来。但是没有一个解释令人完全满意。斯图尔特称，2012年进行的计算模型仍无法解释月球的轨道或者月球的化学成分。2016年，美国哈佛大学研究生西蒙·洛克（SimonLock）和斯图尔特的学生建立了一个升级模型，提出一个之前未识别的行星结构。在这个理论中，地球和忒伊亚的每一部分都汽化形成一个膨胀云，其外形有点儿像一个厚百吉饼。膨胀云旋转速度非常快，达到“共转极限”临界点，膨胀云外侧边缘汽化成岩石环，其旋转速度非常快，逐渐使膨胀云形成一个新的结构，这是一个“肥胖的盘状结构”盘旋在内部区域。至关重要的是，圆盘并不像土星环那样与中心区域分离开来，也不像之前的巨大碰撞月球形成理论模型。这种结构是难以描述的，它没有表面结构，而是融化岩石云，膨胀云的每个区域形成融化岩石雨滴。洛克表示，月球在这种蒸汽环境中逐渐成长，最终蒸汽会降温冷却，形成地球-月球系统。考虑到膨胀云不同寻常的特征，洛克和斯图尔特认为月球的原始体应当起一个新名字，他们尝试了多次，最终命名为“索内斯蒂亚（Synestia）”，他们使用了希腊语前缀“syn-”，意思是同步，并且结合了女神赫斯蒂亚（Hestia）的名字，Synestia的意思是“共生连接结构”。斯图尔特说：“这些天体并非你想像的那样。”今年5月，斯图尔特和洛克撰写一篇关于Synestia物理学特征的文章，他们指出，Synestia月球起源论仍需进一步验证。他们将这一观点发表在行星科学会议上，表示他们的同事对此非常好奇，但却很难认同该观点，这可能是因为Synestia理论仍是一个观点，它不同于太阳系的环状行星，同时，作为原行星盘，虽然普遍存在于宇宙，但迄今人们未观测到它。洛克说：“这是一个非常有趣的研究观点，可以解释月球的特征。”小卫星群在太阳系的天然卫星中，地球的卫星可能最独特，因为仅存在一颗。水星和金星缺少天然卫星，部分原因是它们距离太阳太近，引力作用使它们的卫星轨道非常不稳定。火星有体积较小的火卫一和火卫二，有些人认为这是被俘获的小行星，还有一些人认为这是火星撞击形成的。同时，气态巨行星被一些卫星盘旋，一些卫星是岩石结构，一些卫星存在水，一些卫星是存在水的岩石结构。与太阳系的其它卫星相比，地球卫星的体积和质量较大，月球质量大约是地球质量的1%，而其它外部行星的卫星总质量低于主行星质量的0.1%，更为重要的是，月球包含着地球-月球系统80%的角动量。也就是说，月球对地球-月球系统80%的运动密切相关，对于其它外部行星卫星而言，它们仅占该系统不足1%的角动量。然而，月球并非始终具有这些质量，月球的表面结构证实它终身遭受碰撞轰击，以色列魏茨曼科学研究所行星科学家拉卢卡·鲁夫（RalucaRufu）称，很可能月球的形成经历了多重碰撞。鲁夫在2016年发表的一篇研究报告中指出，地球的卫星并非“原始月球”，她进行模拟计算显示，至少是十几次碰撞事件，天体从不同角度、不同速度碰撞地球，形成一个盘状结构，最终形成“小卫星群”，本质上讲，这些小卫星体积小于现今的月球，小卫星之间的交互作用，以不同角度进行融合，最终形成现今看到的月球。行星科学家对鲁夫2016年发表在的研究报告非常感兴趣，美国西南研究所月球科学家罗宾·卡努普（RobinCanup）称，这项研究报告值得深入思考，然而当前还需要进行更多的测试进行验证。鲁夫并不确定是否这些小卫星锁定在它们的轨道位置，就像月球始终保持相同的方向朝向地球。如果是这样的话，她并不确定这些小卫星是如何合并的，这将是我们需要解决的问题。与此同时，一些专家认为另一种解释可以揭晓地球和月球之间的相似性，这可能是非常简单的答案。从synestia理论至小卫星理论，新的物理模型可能都没有实际意义，很可能月球就仅是类似于地球而已，就像科学家假设的忒伊亚星球一样。编辑：p_xiaojtan