地球是如何獲得月球這顆天然衛(wèi)星的？這是一個(gè)爭(zhēng)論已久的問題，其中有巨大天體撞擊理論，該理論認(rèn)為月球是由早期地球與一顆名為Theia（忒伊亞）的火星大小巖石天體碰撞而成，并已成為眾多解釋中的領(lǐng)跑者。但關(guān)于這是如何發(fā)生的細(xì)節(jié)還不清楚，科學(xué)家們?nèi)栽谂忉屧S多觀察結(jié)果。現(xiàn)在，發(fā)表在《自然地球科學(xué)》期刊上的一項(xiàng)新研究，解開了圍繞撞擊理論最大謎團(tuán)之一：

揭示了到底發(fā)生了什么？即為什么假設(shè)忒伊亞存在，月球最終與地球幾乎完全相同，而不是忒伊亞。根據(jù)撞擊理論，忒伊亞是一個(gè)大致相當(dāng)于火星大小或更小的天體，在45億年前撞上了“成長(zhǎng)”中的地球。這次碰撞產(chǎn)生了足夠的熱量，形成了巖漿海洋，并將大量碎片噴射到圍繞地球的軌道上，這些碎片隨后合并成了月球，該理論解釋了地球和月球相互旋轉(zhuǎn)的方式和速度。

地月是潮汐鎖定的，這意味著月球在繞地球旋轉(zhuǎn)時(shí)總是向地球顯示相同的一面。這就是為什么我們中國(guó)在2019年將嫦娥四號(hào)航天器降落在月球背面時(shí)取得了這樣的成就，即從地球上永遠(yuǎn)不可能與月球背面直接通信。月球和地球的組成幾乎相同，不同之處在于，月球上的鐵較少，氫等較輕的元素也較少，而氫是產(chǎn)生水所需的。巨型撞擊理論解釋了其中的原因，重元素鐵將被保留在地球上。在撞擊和噴射到太空中產(chǎn)生的熱量，會(huì)將較輕的元素沸騰掉。

而地球和忒伊亞的其余物質(zhì)會(huì)混合在一起，計(jì)算機(jī)模型再現(xiàn)了導(dǎo)致月球形成的事件，最符合所有觀測(cè)結(jié)果的模型表明，月球應(yīng)該由來自忒伊亞大約80%的物質(zhì)組成。那么，為什么月球卻可疑地與地球相似呢？一種解釋是，忒伊亞和早期地球從一開始就有相同成分。但這似乎不太可能，因?yàn)槲覀兲栂抵忻總€(gè)記錄在案的行星體都有自己獨(dú)特的組成。略有不同，反映了距離太陽的距離，也就是天體形成的地方。

另一種解釋是，這兩個(gè)天體的混合比預(yù)期要徹底得多，在月球上留下了一個(gè)不太清楚的忒伊亞簽名。但這也不太可能，因?yàn)樗枰葘?shí)際發(fā)生的影響大得多的影響。這項(xiàng)新研究通過表明地球和月球并不像之前想象的那樣相似，從而解決了這一困境。研究人員非常精確地觀察了阿波羅宇航員從月球帶回的巖石中氧元素的同位素分布。在化學(xué)上，任何元素的原子核都是由稱為質(zhì)子和中子的粒子組成；某元素的同位素在原子核中的質(zhì)子數(shù)量與常規(guī)版本相同，但中子數(shù)量不同。

在這種情況下，氧的同位素O-18，它有8個(gè)質(zhì)子和10個(gè)中子，比更常見的O-16(有8個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子)稍微重一些。研究表明，地球和月球的氧同位素組成略有不同，它們的剖面畢竟不一樣。更重要的是，當(dāng)觀察月球地幔的巖石時(shí)，這種差異會(huì)增加，因?yàn)樵虑虻蒯Ｊ堑乇砘虻貧ひ韵碌囊粚?，其氧同位素比地球更輕。這事很重要，因?yàn)榈貧な腔旌蠚埡】赡茏罱K到達(dá)的地方，而深層則會(huì)有更多的忒伊亞碎片。

所以忒伊亞和地球不一樣，月球和地球也不一樣，但這些結(jié)果也讓我們對(duì)忒伊亞本身有了更多了解。由于重力的原因，人們可能會(huì)期待更多更重的同位素更接近太陽。與地球相比，忒伊亞一定擁有更多較輕的氧同位素，這表明它可能形成于距離太陽比地球更遠(yuǎn)的地方。有了這項(xiàng)研究的結(jié)果，巨型撞擊理論在解釋月球形成方面跨越了另一個(gè)障礙，在這個(gè)過程中，我們也對(duì)忒伊亞本身有了更多了解。

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博科園｜文：Christian Schroeder/The Conversation

參考期刊《自然地球科學(xué)》

DOI: 10.1038/s41561-020-0550-0

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