月球是如何形成的?

当前最为主流的假说为“大碰撞假说”。

大约 45 亿年前,一颗火星般大小的天体 Theia 撞击了年轻的地球,将地球的一部分(主要是地幔)抛射入了宇宙中,从而产生了月球。

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图|Theia 撞击地球。(来源:维基百科)

此前支持“大碰撞假说”的证据,来自由阿波罗计划(Project Apollo)带回来的月球岩石,其所含的氧同位素组成比例与地球地幔几乎完全一样。

如今,科学家们又有了新线索,进一步支持了有关月球形成的“大碰撞假说”。

在一项最新研究中,苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的地球化学家、宇宙化学家和岩石学家,在月球陨石中发现了来自地球地幔的稀有气体(也称惰性气体)——氦(Helium)和氖(Neon)。

相关研究论文以“Indigenous noble gases in the Moon’s interior”为题,已发表在权威科学期刊《科学进展》(Science Advances)上。

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(来源:Science Advances)

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4 种假说

关于月球的起源,除了“大碰撞假说”之外,科学家们还先后提出了“捕获假说”“同源假说”“分裂假说”,但都存在一定的理论缺陷。

在“捕获假说”中,科学家们认为,月球是太阳系早期形成的众多宇宙天体之一,它也像其他天体一样漂浮在轨道上,直到有一天,由于被地球的引力吸引而脱离了原来的轨道,成为了地球唯一的天然卫星。

但是,要想这一假说成立,需要地球拥有一个有非常大的大气层来消耗月球通过时的能量,以减缓月球运动速度。

而“同源假说”则讲述了另一个不同的故事,即地球和月球形成于同一原生吸积盘。

但这一假说无法解释月球上金属铁的匮乏,也不能解释地月系统的高角动量。

“分裂假说”也存在一定的理论缺陷,该假说认为,地球由于自身的快速自转而断裂,破碎部分则变成了月球。

但是,要产生如此大的离心力,需要地球在诞生初始时就具有超高速的自转。

而在“大碰撞假说”中,科学家们认为,在太阳系诞生的早期,巨大的撞击是很常见的。由电脑模拟的大碰撞模型表明,这样的撞击后产生的双星系统具有充分的角动量匹配目前地月系统的轨道参数,而且也可以解释月球具有相对较小核心的原因。

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图|关于“大碰撞假说”的简易描述。(来源:维基百科)

此外,这一假说还可以合理解释地月成分的不同:月球的大部分组成成分都来自撞击前的天体,而并不是原生的地球。

但是,这个假说仍然不是很完善。例如,有关陨石的研究显示,火星、灶神星等其他内太阳系天体的氧和钨同位素成分与地球不同,而地球和月球却有着非常相似的同位素成分。

一个合理的解释是,导致地月系形成的撞击混合了地球和月球形成时挥发的物质,有可能导致两个天体之间同位素的组成变得均衡,但这种解释也依然存在争议。

尽管“大碰撞假说”不是很完美,但或许是当前有关月球形成的论据最充分的解释,未来也需要更多的证据来支撑。

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新证据支持“大碰撞假说”

稀有气体,是指在元素周期表中同属第 18 族的元素。它们性质相似,在常温常压下都是无色无味的单原子气体,很难进行化学反应。天然存在的稀有气体共有 6 种,即氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)。

稀有气体在工业方面主要应用为照明设备、焊接和太空探测等。例如,氩和氮的混合气体是白炽灯中填充的保护气;氪由于可以降低灯丝的蒸发率而常用于色温和效率更高性能白炽灯;在放电灯中填充不同的稀有气体,可以产生不同颜色的光,比如霓虹灯中常见的氖灯。

在此次工作中,研究团队利用稀有气体质谱仪,测量了陨石样本中亚毫米级的玻璃颗粒(在玄武岩冷却时形成),排除了太阳风作为探测到的气体的来源。

论文的第一作者和通讯作者 Patrizia Will 分析了来自南极收集的 6 个月球陨石样本,这些样本是由 NASA 在南极洲的“冷沙漠”中采集的,其形成原因可以推测为:由于没有大气层的保护,月球表面不断遭到小行星撞击,一次高能撞击使得岩石碎片从熔岩流的中间层喷出,最终以陨石的形式来到了地球。

这些陨石由玄武岩组成,玄武岩是月球内部岩浆涌出并迅速冷却时形成的,由于在形成后被其他玄武岩层覆盖,避免了来自宇宙射线尤其是太阳风的伤害。

结果显示,玻璃颗粒保留了太阳气体的化学指纹(同位素特征):月球内部的氦和氖,而且检测到的氦和氖的含量比预期的要高得多。

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图|交叉偏振光下的 LAP 02436 样品薄片。(来源:苏黎世联邦理工学院)

这一发现有力地支持了月球“继承”了地球天然存在的稀有气体。“这是一个令人兴奋的结果,而这些玄武岩材料与月球表面的任何暴露都无关。” Will 说。

对此,论文作者之一、苏黎世联邦理工学院教授 Henner Busemann 表示:在未来的工作中,研究团队继续将在月球陨石中寻找其他稀有气体,比如氙(Xenon)和氪(Krypton),以及其他挥发性元素,比如氢(Hydrogen)或卤素(Halogen)。

“这一发现可能会帮助地球化学和地球物理学科学家创建新的模型,更普遍地展示这些最易挥发的元素是如何在我们的太阳系内/外的行星形成过程中幸存下来的。”

参考资料:

https://www.eurekalert.org/news-releases/961341

https://en.wikipedia.org/wiki/Giant-impact_hypothesis

来源: 学术头条

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