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2021-11-27 07:31
地球有过两个月亮,直到一个吞掉了另一个?

本文来自微信公众号:科研圈(ID:keyanquan),作者:Corey S. Powell,翻译:阿金,编辑:魏潇,头图来自:unsplash


半个多世纪以来,科学界的顶尖头脑一直遭受着来自月球的“嘲讽”,对美国天文学家埃里克·阿斯普豪格(Erik Asphaug)来说,这该适可而止了。


故事始于阿斯普豪格出生三年前。1959 年 10 月 7 日,苏联月球 3 号(Luna 3)太空探测器在月球背面盘旋,拍摄下一系列粗砺但清晰可辨的图像,并发送回地球老家。因为月球的自转与公转完美同步,所以它永远只有一半对着地球,而另一面则朝向宇宙深处,不为我们所见。


月球 3 号的首张月背图像展示了一片崎岖不平,广阔无边的淡灰色高地,完全不同于月球正面奇妙的“脸”(译注:在满月时,月面上的高原和谷地明暗不同,看上去像是有趣的人脸图案)。甚至不需要行星科学家,普通大众就能感受到这种怪异的割裂感。“我记得小时候看过一档新闻节目,介绍了遥远的月背,当时就觉得难以置信,这颗星球的两面竟能如此不同。”阿斯普豪格说道。


月球上的人脸的各种“解读”。By D.Helber at English Wikipedia — partially based on an earlier version from Pietz at de.wikipedia. - Transferred from en.wikipedia to Commons by Cépey using CommonsHelper., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12186550


2010 年,已经是美国加利福尼亚大学圣克鲁兹分校(University of California, Santa Cruz)地球和行星科学教授的阿斯普豪格出席了一场座谈会,仍然希望能听到对月球严重不对称性的解释。当他的同事伊恩·加里克-贝瑟尔(Ian Garrick-Bethell)滔滔不绝提出自己的见解时,他却越听越不耐烦。根据最新理论,几十亿年前,年轻的月球还处在熔融状态,地球引力在月球上掀起强劲的岩浆潮汐。之后,隆起的部分在原地冷却下来,变成更加厚实的地壳,形成月背鲜明的地质特征。


但阿斯普豪格认为这一概念毫无意义。“就和地球上高高掀起的浪潮一样,月球正面和背面应该都会产生隆起,”他解释道。但重点是月球仅在背面有隆起。“所以,答案只能是某天奇迹发生,一半的月球被抹平了。这么解释不会带来任何帮助。”


这件事给阿斯普豪格带来的不仅是烦恼,反而激起了他的灵感。多年来,他始终致力于发展早期太阳系的低速撞击模型。“人们一直有偏见:看到撞击,就只会想到超高速撞击事件。”他说,“我们忘了低速物体也会撞击。”这种类型的撞击事件更具建设性,而非破坏性:如果两个物体撞击的速度足够慢,它们相互碰上后就会粘在一起,“类似于朝着房屋墙面扔泥巴,或者对扔雪球。阿斯普豪格一直在思考低速撞击,他喜欢称之为“啪唧一下”(splats)这能解释彗星的形成过程。突然之间,他意识到月球问题的答案可能就在眼前。他抓到了自己的一个博士后马丁·尤兹(Martin Jutzi,后来去了瑞士伯尔尼大学),讲出了自己的想法。情况没准是这样:最初地球拥有两颗卫星,后来合并成一颗,就是我们现在知道的月球。


“那场座谈会之后,我们直奔实验室,马丁编码模拟了一颗卫星被另一颗伴星撞击的过程。”阿斯普豪格回忆说。计算结果推导出阐释月球不对称性的新理论。在阿斯普豪格看来,月球杂乱的高原是曾经围绕地球旋转的第二颗卫星的残骸,后来粘在了月球表面。所以,难怪月球背面看上去与众不同,因为它本来就是另一个世界。


新模型完整描绘了月球的古老起源及其如今的外观,然而在阿斯普豪格看来这一发现的意义更加重大,它拓宽了我们理解行星形成过程的视野:一次如同亲吻般温柔的碰撞,让两颗星球合二为一。


月球从哪里来


与大部分科学理论一样,阿斯普豪格的“大坠落”模型(Big Splat model)脱胎于先前研究。事实上,第一个真正关于月球起源的科学描述也集中于两个世界的互动,但设想的是分裂而非融合。1878 年,查尔斯·达尔文(就是《物种起源》的达尔文)的儿子乔治·达尔文(George H.Darwin)提出假说,认为月球分裂自快速自转的新生地球,就像被甩下旋转木马的任性孩童一样。而我们星球丢失的那块土地也相当明显,他推测说,就是太平洋盆地。


“裂变假说”(fission hypothesis)盛行了很长一段时间,也比月球 3 号早了好几年。但从动力学角度来看,这一理论解释不通。没有合理的方法能让地球的自转速度快到将自己的部分表面甩出去,即使有,这块“地表”也无法吸收足够的角动量以匹配地球和月球当前的物理状态。至于太平洋,这是只与大陆板块演变到如今的暂时性特征。月球形成大约是 44 亿年前,那时还不存在太平洋。(不必太苛责小达尔文,因为他的理论比板块构造说早了近 90 年。)


其他月球起源故事紧随其后,每个故事都定义了地球和月球之间的不同联系,但每一个都被其致命缺陷所困。美国天文学家托马斯·杰斐逊·杰克逊·西(T.J.J.See)认为,月球是一颗独立行星,被俘获到地球轨道上。但这说法有缺陷:我们的星球引力不强,不足以设下陷阱。还有一些学者,其中最著名的是法国数学家爱德华·罗歇(Edouard Roche),争辩说在太阳系早期,地球和月球曾“手拉手,排排站”。不过这一假说也有缺陷:地球化学家研究了阿波罗号宇航员带回的 382 千克月球岩石,发现月球岩石的整体成分有别于地球,缺少被称为易挥发物质。说月球是平行世界,倒更合适一些。


然而,在其他许多方面,月球的化学成分与地球惊人地相似。月球岩石内两种不同的氧类型比例和地球岩石中的完美匹配。氧比(oxygen ratio)好似“身份标签”,能告诉我们物体是在哪里形成的。陨石有自己的氧比,火星成分也是如此。而月球看上去和地球恰如“双胞胎”。那么,你就会有这样一个结论:月球和地球长得一点都不一样,但它们又是一模一样的。另外,还有更加微妙的不对称性需要解释。


行星科学家消化了所有令人费解的证据,以 1975 年两篇突破性论文为基础,形成了一套创造论新说:大碰撞理论(Giant Impact Theory)。在这一模型中,地球诞生之时没有任何卫星。之后没多久,就遭到一颗与火星大小近似的天体(通常称为忒伊亚,Theia,古希腊神话中月亮女神塞勒涅的母亲)的猛烈撞击,由此产生的“地狱之火”汽化了忒伊亚以及地球外层的大部分物质。一些物质被炸得无影无踪,而大部分形成尘埃盘,环绕着伤痕累累的地球。经过非常短暂的一段时期,也许只有十年,尘埃盘凝聚到一起,形成了月球


大碰撞的艺术想象图。By NASA/JPL-Caltech - http://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_1454.html, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8626942


大碰撞理论轻松解释了地月系统的大部分化学和动力学属性。尽管存在一些悬而未决的不确定因素,该理论仍被广泛视为解释月球存在的最佳假说。但它没有回答悬在我们眼前的一个闪闪发亮的大问题:为什么月球看上去是这副摸样?


这不仅仅是美观的问题。“月球上的脸”的标志性区域是深色冰冻岩浆所在的巨型平原,称为月海(Maria)。出于某一原因,大部分月海位于月面。更普遍的是,早期月球上,面朝地球的一面火山运动更活跃。美国航空航天局(NASA)的月球重力场调查探测器 GRAIL 测量了月球地壳,确认月球背面的地壳更厚实;探测器还发现月球正面(仅月面)拥有被掩盖的长线型特征网络,行星地质学家解释为火山岩脉。因此,一个显而易见的答案是地球引力导致了这一不平衡现象,但没有物理学上的合理方法证明其联系。


“长久以来,人们一直尝试解释月球的不对称性。新观点层出不穷,火爆一时,但常常不了了之。”阿斯普豪格说道。更常见的情况则是将月球双重身份的问题完全搁置一边。2013 年,美国加州理工学院(Caltech)的大卫·斯蒂文森(David Stevenson)在英国皇家学会(British Royal Society)共同组织过一场重要的月球形成研讨会。对于许多同行们讨论这个问题的方式,他笑着说:“房间里明明有头大象,人们却刻意忽视,反而盯着角落里的猫看。”


大坠落模型


在许多方面,阿斯普豪格的模型是对目前盛行的月球形成观点的有机延伸,实际上,这也是对当下流行的行星形成理论的延伸。约 45 亿年前,太阳系处在婴儿时期时,从尘埃逐渐构建出岩石、小行星,乃至行星,这一切来自于环绕新生太阳的星盘。这一故事建立在从陨石分析到观测环绕其他刚诞生的恒星的类似星盘等海量证据的基础上。随着行星汇聚,越来越大的天体相互碰撞。阿斯普豪格指出,一些碰撞必须足够温和,让两颗天体合并成一颗更大的天体。否则,行星停止成长,而我们的太阳系将只是碎片的汪洋。


阿斯普豪格的科研生涯正是致力于探索碰撞过程的精妙之处,最初在加州大学圣克鲁兹分校,2012 起至今在美国亚利桑那州立大学(Arizona State University)。多年来,他对主流的大碰撞模型贡献巨大,还协助完善了忒伊亚这一近似火星的闯入者的主要模型。在这一过程中,他说:“我清醒认识到吸积(accretion)的不完美和复杂性。”他开始感兴趣于称作“近吸积”( almost-accretion)的事件,即两颗行星不完全碰撞。他还认为,行星相遇事件的范围应该更大,从两颗行星草率地合并,到“撞一下就跑”(即两颗行星都近乎完整地留存下来)都在这类范畴中,而大碰撞模型是其中的一个特例。


“我在研究生院的重要学习经历告诉我,在你达到行星科学知识极限之前,你能做的事情基本不怎么受限。这不像物理学,你必须穿越 400 年的物理研究,然后发现一个尚未解决的新奇问题。”阿斯普豪格说,“在行星科学领域内,很多基础问题都没有满意的答案。你开始说:‘你是这么想的?真的吗?行吧,我现在也有个想法。’”


阿斯普豪格在座谈会上的顿悟开始让他思索大碰撞后发生的事情。通常,行星科学家假设,从撞击的烈火中,一颗地球的卫星诞生了,但这不应该是唯一的可能性。阿斯普豪格的双月球观点与他自己的计算机彗星建模完美契合。“我们想的就是‘吧唧一下’,真是巧了。”他说道。


美国哈佛大学的马蒂亚·库克(Matija Cuk)早已推测出第二颗月球的来源,补上了拼图的第二部分。库克表示,当大碰撞创造出环绕地球的大型汽化岩石带后,在同一轨道上存在两个稳定点,位于月球前方 60 度角处和月球后方 60 度角处。这两点类似于引力潮汐池,平静之处正是第二颗更小天体的形成之地。库克没有给伴星命名,但为了清楚起见,我称之为恩底弥翁(Endymion),古希腊神话中月亮女神塞勒涅的恋人。


最初,月球和恩底弥翁和平共处,但情况随着时间发生了变化(在恋人关系中很常见)。引力的相互作用让月球逐渐绕离地球,这改变了整个系统的动态平衡。恩底弥翁不再稳定,跌落至恋人的怀中。库克由此建立理论,认为最终恩底弥翁四分五裂,化作小行星雨,落到月球表面。而阿斯普豪格则看到另一种可能性。


“当天体共轨时,他们会以相当慢的速度相互碰撞,这类似于物体下落的速度,因此不会产生冲击或者大量融合。”他解释道,“与其认为是一场大碰撞,不如说更像是宇宙天体滑坡,而且是你能想象的规模最大的天体滑坡之一。”在后期,恩底弥翁残骸以每秒几百米的速度坠落,这速度仅仅是大碰撞开始时的速度的百分之一。


“如果你计算一下,就会在撞击的地方得到一块隆起区域,由低密度物质形成不断增厚的地壳。”阿斯普豪格说。在他的模型中,隆起区域的形状与现实中月背地壳的形状吻合。他估计,恩底弥翁的直径应该达到 1000 千米左右,这样才能解释额外多出来的地壳的质量。这个尺寸颇为合理,大概是现在月球直径的四分之一。这样一颗小天体能够在 1 亿年内冷却为坚硬的岩石,这也是恩底弥翁变得不稳定时的年龄。当它坠落到月球表面时,会形成半球状的砾石场,从而完美解释了月球背面的地壳为何更加厚实。


大坠落模型还有其他有趣的影响。所有坠落到月背的岩石会压迫富含放射性元素的熔融物质,将其推向另外一面。阿斯普豪格提出:“所以这不仅产生了月球的地壳不对称性,还有热不对称性。”月球单面的热含量也会让这一面膨胀,出现 GRAIL 探测器所看到的岩脉。就这样,月球背面厚实的地壳,月球正面的火山活动,还有神秘的月球岩脉,通过一次“碰撞”,统统得到了解释。


不过,阿斯普豪格不太有信心认为大坠落说能完全解释月球的惊人不对称性——本文开头提到的月海形成的深影区域只集中出现在月球正面。“是有点牵强。”他承认,因为创造出月海的岩浆爆发得更晚,大约在月球形成十亿年之后。但通过解释月背更厚的地壳和月面更高的内部热量,他的模型至少设置了合适的条件,来说明岩浆偏向于出现在月球其中的一面。


听阿斯普豪格讲得越多,他的声音就越有说服力。尽管大坠落模型无法解释月球所有的异常现象,但确实涵盖了许多方面。迄今为止,在月球科学这一如冰川般万年不化的世界中,阿斯普豪格的理论遭遇了不冷不热的反应。不是一颗卫星而是两颗?天体碰撞产生天体滑坡而不是天崩地裂?行,让我们和你好好谈谈。


不完美的模型


杰伊·梅洛什(Jay Melosh)是美国普渡大学(Purdue University)的资深行星科学家,也是 GRAIL 团队的成员。他提出了一个问题:月球正面和背面的地壳密度相同。有可能恩底弥翁的密度和月球表面密度一样,但缺乏多样性“至少让人更难以坚信阿斯普豪格的模型”,他如此说道。斯蒂文森持同样谨慎的态度:“我不觉得这模型很有说服力,但我也不排斥。”“它不会从我们认为的大碰撞之后发生的情况中自然出现。”像库克这样的动力学专家则更支持阿斯普豪格的模型。不过,最后要说一下,最主要的批评不是有任何驳斥大坠落说的证据,因为确实没有,而是没有足够明确的证据支持。


阿斯普豪格倒很理解。“我们可能有一套能够给解释很多现象的假说,但相对的,却无法检验。”他说,“我们现在渴望更多数据。”一条前进的道路就是在月球建立地震监测网络,从而读取这颗卫星内部结构的完整历史记录。在大碰撞(如果确实有过)以及后续的大坠落(同理)期间,无论发生过什么,一定会在月球深处留下标记。2018 年,NASA 发射了“洞察”号(InSight),是探测火星的高精准地震探测器,然而, 每一个同样的月球地震监测任务都被驳回。“美国在上世纪 70 年代暂停了月球登陆任务,真的非常可惜。”阿斯普豪格说,“我认为接下来中国科学家会得到最终答案。”


幸运的是,闷闷不乐的评价并非故事的最终结局,因为还有另一套完整的方法来验证阿斯普豪格的模型,了解行星和卫星的形成和演化。他说,“近吸积”事件证据可能正环绕着我们。彗星可能保留了古老的坠落分层结构,欧洲航天局(European Space Agency)的罗塞塔任务(Rosetta mission)前往丘里莫夫-格拉西缅科彗星(Churymov-Gerasimenko),在 2016 年底完成了自己的旅行。冥王星及冥卫一卡戎(Charon)可能也是在大碰撞中形成,过程类似于地球的月球。“新视野”号(New Horizons)探测器曾于 2015 年近距离飞掠过它。而且,火星也具有独特的南北不对称性,“洞察”号探测器将协助调查是否可能也是碰撞所致。


阿斯普豪格继续运行自己的模型,同时也不断提出更多可以研究的地方。2013 年,他在《伊卡洛斯》(Icarus)杂志上发表了一篇论文,提出土星复杂的卫星系统可能是多次碰撞与合并的结果,是地球创造出月球的更复杂版本。而他最新的观点则是水星在形成过程中,可能是一次或者多次“撞了就跑”型碰撞的受害者,这样能够解释其致密性的富铁结构,也能解释其灼热地壳中水无法存在的原因。


在阿斯普豪格看来,月球上的脸其实表达了这颗卫星形成的终极信息,这个过程随意但富有创意且变化多端,却为大部分同行所忽略。他想要确定自己没有错失任何一部分。“有了现代计算机编程,我们能够探索巨大的参数空间。”他说话的时候热情洋溢,就像 2010 年他听完那场启发灵感的座谈会后跑入实验室时那样。“其中的乐趣永无止境。”


原文链接:

http://earth.nautil.us/article/432/when-the-earth-had-two-moons


本文来自微信公众号:科研圈(ID:keyanquan),作者:Corey S. Powell

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