月球形成之謎解開了：誕生于沖撞地球的神秘天體

據(jù)外媒報(bào)道，根據(jù)最新的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，20億年前，月球誕生于一碰撞地球的神秘小天體。

巴黎地球物理研究所研究人員測試了20多億個(gè)組合參數(shù)，試圖揭曉月球的形成之謎。他們得出結(jié)論稱，該碰撞事件的關(guān)鍵在于碰撞天體的質(zhì)量大約是地球質(zhì)量的十分之一。

長期以來天文學(xué)家猜測，月球形成于巨型原行星“忒伊亞（Theia）”與早期地球的碰撞過程中，這個(gè)理論最早是上世紀(jì)70年代提出的。研究人員指出，這次巨大碰撞事件形成大量殘骸云，最終它們合并形成月球。

然而，到目前為止天文學(xué)家仍無法解釋月球和地球殘留物質(zhì)化學(xué)特征的一致性。科學(xué)家提出了兩種觀點(diǎn)，結(jié)果表明此次遠(yuǎn)古碰撞天體的質(zhì)量并不相同。依據(jù)第一種觀點(diǎn)，碰撞之后地球的兩個(gè)一半結(jié)構(gòu)形成了地球-月球系統(tǒng);在第二種觀點(diǎn)中，“忒伊亞”是一顆小型高速拋射天體，碰撞在體積較大、快速旋轉(zhuǎn)的早期地球。

為了揭曉月球形成之謎，巴黎地球物理研究所詹姆斯·巴德羅（James Badro）和同事決定著手分析每種觀點(diǎn)與地球化學(xué)屬性的匹配狀況。

巴德羅在接受《新科學(xué)家》雜志采訪時(shí)稱，我們知道，地球形成1億年時(shí)發(fā)生巨大碰撞的天體無論體積較小還是較大，都會(huì)在地幔殘留化學(xué)印記。化學(xué)印記的差異性取決于“忒伊亞（Theia）”的質(zhì)量大小。

研究人員運(yùn)行了20多億次碰撞模擬，發(fā)現(xiàn)一顆質(zhì)量是地球質(zhì)量15%以上的碰撞天體無法產(chǎn)生我們在地幔層所看到的化學(xué)成分，它與地球碰撞會(huì)導(dǎo)致地幔出現(xiàn)大量鎳和鈷。

近期，一項(xiàng)獨(dú)立研究發(fā)現(xiàn)月球形成不久，地球遭受小型行星轟擊碰撞，該碰撞過程給地球帶來了大量稀有元素。這些類似月球的天體對(duì)年輕月球內(nèi)核帶來了金、銀和鉑等元素，并且有效地增大了地球質(zhì)量。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)提供了45億年前地球進(jìn)化的最新線索。

這種理論被稱為“大型碰撞假說”，或者“大型濺射碰撞”，目前，美國科羅拉多州西南研究所研究人員提出了一項(xiàng)模擬，“忒伊亞（Theia）”碰撞事件之后，在很長的一段時(shí)間里，叫做“微行星（planetesimals）”的微型行星殘留物對(duì)地球產(chǎn)生碰撞影響。這些巖石殘留物大小不等，體積從沙粒到直徑3000公里的巖石塊。

當(dāng)一顆行星系統(tǒng)形成時(shí)，灰塵云將通過引力作用聚集在一起，形成較小的巖石體?？茖W(xué)家認(rèn)為，微行星聚集合并形成地球以及其它行星。

這種轟擊過程，被稱為“后期增生（late accretion）”，是較大微行星碰撞早期地球，最終增積相應(yīng)物質(zhì)，使地球質(zhì)量逐漸增大。

該研究報(bào)告作者西蒙妮·馬奇（Simone Marchi）博士解釋稱，我們模擬大型碰撞事件，分析“后期增生”階段中金屬和硅酸鹽等物質(zhì)如何與地球結(jié)合在一起。該過程在月球形成之后仍持續(xù)了數(shù)億年時(shí)間。

他還指出，基于我們的模擬計(jì)算，“后期增生”過程中微行星向早期地球添加的質(zhì)量遠(yuǎn)大于之前的預(yù)期，這對(duì)于地球早期進(jìn)化具有重要影響。然而之前研究認(rèn)為，在地球形成最后階段中源自微行星碰撞增積的質(zhì)量僅占總質(zhì)量的0.5%。

地球親鐵元素的較高密度，例如：金、鉑和銥等，它們的形成與地幔層鐵元素具有密切關(guān)系。之前研究猜測，所有較高密度的親鐵元素是通過“后期增生”階段增積到地球質(zhì)量的，它們保留在地幔層中。

這項(xiàng)最新研究表明，“后期增生”可能涉及較大的分化型投射物，這些投射物的金屬內(nèi)核具有密度較高的親鐵元素。

這項(xiàng)最新高分辨率碰撞模擬實(shí)驗(yàn)表明，較大微行星內(nèi)核的大量物質(zhì)可能殘留在地球上，并逐漸混入地球內(nèi)核，或者濺射至太空，完全逃脫地球引力束縛。以上兩個(gè)情況減少了高密度鐵元素增積在地幔的數(shù)量，意味實(shí)際碰撞過程中微行星向地球增積的物質(zhì)質(zhì)量是之前預(yù)期的2-5倍。

研究報(bào)告合著作者羅賓·卡納普（Robin Canup）博士說：“這項(xiàng)模擬實(shí)驗(yàn)很可能有助于解釋遠(yuǎn)古陸地巖石樣本中同位素異?，F(xiàn)象的存在。”據(jù)悉，這些遠(yuǎn)古陸地巖石樣本包括科馬提巖（komatiite），這是一種火山巖。

這些異?，F(xiàn)象對(duì)于月球起源模型增加了不確定性，意味著忒伊亞原行星碰撞之后，地球地幔出現(xiàn)融合現(xiàn)象。我們認(rèn)為，至少地球上一些巖石是“后期增生”月球形成碰撞之后才形成的。