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月球從何而來？大膽假說揭開謎題
來源： 科技日報(bào)
作者：南皮縣產(chǎn)學(xué)研科技成果轉(zhuǎn)化服務(wù)中心
日期：
2023-12-16
近日，中國科學(xué)院上海天文臺(tái)副研究員鄧洪平與美國加州理工學(xué)院博士后袁遷等人在《自然》發(fā)表論文，揭秘了地球內(nèi)部深處巨大異常體的來源。
“地球童年時(shí)期受到了大撞擊，可能至今內(nèi)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(xué)報(bào)》概括了這項(xiàng)研究的內(nèi)容，但該研究卻揭開了困擾學(xué)界多年的謎題——月球從何而來？
這個(gè)謎題困擾科學(xué)家許久
月球是地球的衛(wèi)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(gè)問題的主流學(xué)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(yùn)含的能量約為導(dǎo)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(dòng)力學(xué)性質(zhì)和其獨(dú)特的物質(zhì)組成，還能與類地行星的碰撞生長理論相契合。
然而科學(xué)家通過對阿波羅月球樣品的高精度同位素分析，發(fā)現(xiàn)地球地表物質(zhì)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(dǎo)，理應(yīng)與地球成分有一定差異。
這一矛盾的根源是碰撞中兩個(gè)星體不能充分混合。
2017年，鄧洪平在瑞士蘇黎世大學(xué)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(zhì)混合情況。
“大碰撞模擬中廣泛應(yīng)用了光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法，但其具有較高的數(shù)值黏度，并不擅長模擬亞聲速的湍流和其引起的物質(zhì)混合。”鄧洪平介紹，盡管這一缺陷已成為計(jì)算天體物理領(lǐng)域的共識(shí)，但在行星科學(xué)領(lǐng)域并未引起重視，舊方法的優(yōu)化和新方法的開發(fā)均停滯不前。
鄧洪平等人開發(fā)了新的無格點(diǎn)計(jì)算流體力學(xué)的方法，可以更為有效地捕捉微弱湍流帶來的物質(zhì)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(zhì)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(shí)Gaia的上半層由于劇烈升溫，形成熔融的巖漿洋。
這導(dǎo)致碰撞后的地球地幔呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，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(tài)，主要保留了Gaia的物質(zhì)成分。在和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的地球物理學(xué)家討論后，研究團(tuán)隊(duì)得出了一個(gè)大膽的結(jié)論：45億年前形成的地幔分層可能在現(xiàn)今地幔中仍留有痕跡，同時(shí)，分層演化的地幔模型可以更好地解釋地表物質(zhì)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(jī)會(huì)將兩者區(qū)分開，從而研究它們各自的性質(zhì)。而這一有趣的分層結(jié)構(gòu)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(jī)會(huì)。” 鄧洪平說。
2019年，鄧洪平等人將此研究論文投到《自然》，經(jīng)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(xué)雜志》（APJ），很快順利見刊。
這一試圖串聯(lián)天文和地學(xué)的“跨界”論文，吸引了另一位合作者袁遷的關(guān)注。
跨學(xué)科合作形成完美閉環(huán)
20世紀(jì)80年代，地球科學(xué)家發(fā)現(xiàn)地幔底部存在兩個(gè)巨大的異常區(qū)域，當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^它們時(shí)，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(shù)地球科學(xué)家認(rèn)為這兩個(gè)區(qū)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(gè)異常區(qū)。
2019年，在美國亞利桑那州立大學(xué)的一次研討會(huì)上，有位教授對月球形成的“大撞擊”假說提出了質(zhì)疑——撞擊體Theia真的存在嗎？為什么沒有人找到Theia存在的證據(jù)？
正是這個(gè)提問讓袁遷靈光一現(xiàn)：“難道大型低速體就是Theia的殘余？”
會(huì)后，袁遷查閱了相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)還沒有人提出過類似的假說。隨后，他與亞利桑那州立大學(xué)教授李明明合作，從地球動(dòng)力學(xué)角度去驗(yàn)證這一猜想。他們的結(jié)果支持該猜想，但需要假設(shè)在“大撞擊”后地球地幔沒有完全熔化，而之前的大多數(shù)相關(guān)論文由于算法和分辨率的問題，都認(rèn)為這次撞擊基本導(dǎo)致了地幔的全部熔化。
正在這時(shí)，袁遷看到了鄧洪平最新發(fā)表的APJ論文，其中描述了“大撞擊”后地球的分層現(xiàn)象，這正是他苦苦尋找的證據(jù)。
于是，袁遷邀請鄧洪平共同探索大碰撞后進(jìn)入地球深部的Theia物質(zhì)。在此之前，這些進(jìn)入地球深部的Theia物質(zhì)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(huán)。
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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)與大型低速體質(zhì)量相當(dāng)?shù)腡heia物質(zhì)會(huì)進(jìn)入到Gaia的下地幔。鄧洪平邀請了計(jì)算天體物理專家Jacob Kegerreis用傳統(tǒng)的光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還演算出這些Theia地幔物質(zhì)與月球巖石一樣富集鐵元素，所以比周圍Gaia物質(zhì)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(gè)顯著的大型低速體，歷經(jīng)45億年的地質(zhì)演化仍穩(wěn)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(xué)家、地球化學(xué)家和天體物理學(xué)家的通力合作，我們可以將地月系統(tǒng)的形成和演化融入到整個(gè)內(nèi)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(fā)。”
論文的發(fā)表并不是結(jié)束。鄧洪平、袁遷等人的探索還將繼續(xù)，以進(jìn)一步充實(shí)和驗(yàn)證他們的研究。
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