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月球從何而來?大膽假說揭開謎題

來源: 科技日報
作者:南皮縣產學研科技成果轉化服務中心
日期: 2023-12-16
【字號

 

近日,中國科學院上海天文臺副研究員鄧洪平與美國加州理工學院博士后袁遷等人在《自然》發表論文,揭秘了地球內部深處巨大異常體的來源。
“地球童年時期受到了大撞擊,可能至今內部都存在該撞擊體的殘留物。”鄧洪平雖然僅用一句話就向《中國科學報》概括了這項研究的內容,但該研究卻揭開了困擾學界多年的謎題——月球從何而來?
這個謎題困擾科學家許久
月球是地球的衛星,也是距離地球最近的天體。但月球從何而來?
鄧洪平提到的“大撞擊”假說就是回答這個問題的主流學說——45億年前,一顆火星大小的原行星Theia撞上了初生的地球Gaia,月球就是由撞出去的碎片逐漸聚合生長而來。這次碰撞所蘊含的能量約為導致恐龍滅絕的小天體撞擊事件的一億倍以上。它重塑了年輕的地球,還可能在地球地幔中留下深刻的印記。
這種假說不僅可以很好地解釋月球的動力學性質和其獨特的物質組成,還能與類地行星的碰撞生長理論相契合。
然而科學家通過對阿波羅月球樣品的高精度同位素分析,發現地球地表物質和月球的成分高度相似。但在大撞擊模擬中,月球成分由“天外來客”Theia主導,理應與地球成分有一定差異。
這一矛盾的根源是碰撞中兩個星體不能充分混合。
2017年,鄧洪平在瑞士蘇黎世大學攻讀天體物理博士期間,從同事Christian Reinhardt那里了解到這一問題,便開始嘗試用新的方法模擬這一過程的物質混合情況。
“大碰撞模擬中廣泛應用了光滑粒子流體動力學方法,但其具有較高的數值黏度,并不擅長模擬亞聲速的湍流和其引起的物質混合。”鄧洪平介紹,盡管這一缺陷已成為計算天體物理領域的共識,但在行星科學領域并未引起重視,舊方法的優化和新方法的開發均停滯不前。
鄧洪平等人開發了新的無格點計算流體力學的方法,可以更為有效地捕捉微弱湍流帶來的物質混合。然而,他們卻未能如愿地將Gaia和Theia均勻混合。撞擊過程中,Theia的物質總是傾向于“漂浮”在Gaia的上半層,無法大量向下沉入Gaia的深部地幔,同時Gaia的上半層由于劇烈升溫,形成熔融的巖漿洋。
這導致碰撞后的地球地幔呈現分層結構,其中上地幔為巖漿洋,由Gaia和Theia充分混合而成,而下地?;緸楣虘B,主要保留了Gaia的物質成分。在和瑞士蘇黎世聯邦理工學院的地球物理學家討論后,研究團隊得出了一個大膽的結論:45億年前形成的地幔分層可能在現今地幔中仍留有痕跡,同時,分層演化的地幔模型可以更好地解釋地表物質和月球成分的相似性。
“如果Gaia和Theia完全混合,我們便很難有機會將兩者區分開,從而研究它們各自的性質。而這一有趣的分層結構如果能夠以某些形式保存下來,將為我們研究月球的形成,甚至地球的演化提供重要機會。” 鄧洪平說。
2019年,鄧洪平等人將此研究論文投到《自然》,經歷一年多磨人的審稿最后不幸被拒。隨后,他們又將該論文投到《天體物理學雜志》(APJ),很快順利見刊。
這一試圖串聯天文和地學的“跨界”論文,吸引了另一位合作者袁遷的關注。
跨學科合作形成完美閉環
20世紀80年代,地球科學家發現地幔底部存在兩個巨大的異常區域,當地震波穿過它們時,波速明顯降低。這兩塊在地幔底部綿延幾千公里的異常體通常被稱為大型低速體。盡管大多數地球科學家認為這兩個區域可能由于相對富含鐵而具有更高的密度,但目前仍然不清楚是什么過程形成了這兩個異常區。
2019年,在美國亞利桑那州立大學的一次研討會上,有位教授對月球形成的“大撞擊”假說提出了質疑——撞擊體Theia真的存在嗎?為什么沒有人找到Theia存在的證據?
正是這個提問讓袁遷靈光一現:“難道大型低速體就是Theia的殘余?”
會后,袁遷查閱了相關資料,發現還沒有人提出過類似的假說。隨后,他與亞利桑那州立大學教授李明明合作,從地球動力學角度去驗證這一猜想。他們的結果支持該猜想,但需要假設在“大撞擊”后地球地幔沒有完全熔化,而之前的大多數相關論文由于算法和分辨率的問題,都認為這次撞擊基本導致了地幔的全部熔化。
正在這時,袁遷看到了鄧洪平最新發表的APJ論文,其中描述了“大撞擊”后地球的分層現象,這正是他苦苦尋找的證據。
于是,袁遷邀請鄧洪平共同探索大碰撞后進入地球深部的Theia物質。在此之前,這些進入地球深部的Theia物質一直被鄧洪平忽視。之后,兩人的合作如魚得水,完美形成了研究閉環。
令人驚喜的是,通過深入分析之前的大碰撞模擬、開展更高精度的新模擬,研究團隊發現與大型低速體質量相當的Theia物質會進入到Gaia的下地幔。鄧洪平邀請了計算天體物理專家Jacob Kegerreis用傳統的光滑粒子流體動力學方法進一步證實了這一結論。
此外,研究團隊還演算出這些Theia地幔物質與月球巖石一樣富集鐵元素,所以比周圍Gaia物質密度更高,因此快速下沉至地幔底部,并在地幔的長期對流作用下形成兩個顯著的大型低速體,歷經45億年的地質演化仍穩定存在于核幔邊界之上。
這一次,他們的論文被《自然》成功接收,并且被選為封面文章。鄧洪平說:“得益于地球物理學家、地球化學家和天體物理學家的通力合作,我們可以將地月系統的形成和演化融入到整個內太陽系類地行星形成的框架中,甚至為理解系外地球的形成和宜居性提供啟發。”
論文的發表并不是結束。鄧洪平、袁遷等人的探索還將繼續,以進一步充實和驗證他們的研究。

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