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碰撞学说遭重创 同位素难吻合月球成因扑朔迷离

http://www.kexue.com 2013-10-18 16:07:34 人民网  发表评论

  在众多对科学的贡献中,阿波罗太空计划让地球物理学家获得了关于月球起源的一个大统一理论:在太阳系诞生数千万年后,一个如今已消失、大小与火星差不多的行星撞击了地球,使周围空间布满了碎片。地球自我修复,而这些碎片停留在地球附近的轨道上,并逐渐增大形成月球。这种大撞击理论的形成,部分来自于对宇航员在1969年到1972年期间带回来的382千克月岩的研究,这是行星科学的一次胜利。

  然而事实可能没有这么简单。

  在过去10年中,越来越复杂的计算机模拟表明,该理论与地球化学家在太阳系其他地方发现的月岩和陨石情况不符。

  上个月,在英国伦敦皇家学会的一个会议上,专家们讨论了各种证据,但最终未得出定论,从而形成了一个更大的僵局。

  在阿波罗计划之前,行星科学家在月球形成方面有各种理论——例如,它由地球附近的灰尘和碎石积累而成等。但是,每种理论都有不可避免的缺陷。一些无法解释月球的年龄,另一些则不能说明其围绕地球运行的角动量。

  大撞击理论由William Hartmann和Donald Davis在1975年提出。最初该理论有些古怪,但随着研究人员的深入研究,它似乎愈加可信了。

  早期太阳系充满了可能撞击地球的星子。一颗质量是地球10倍的天体以适当的速度撞击地球时,可以产生足以形成月球的物质。

  大撞击理论也可以解释阿波罗计划中的3个关键发现:月球的年龄、在形成初期温度很高的证据以及与地球的化学形成相似。在1984年于美国夏威夷科纳召开的一次会议上,科学家接受了该模型,印第安纳州普渡大学的Jay Melosh表示:“该模型在10年或者20年的时间里,工作得非常出色。”

  后来事情逐渐复杂起来。在阿波罗取得月岩的同时,研究人员开始研究陨石中不同化学同位素的比率。特别是陨石和太阳系其他部分中的氧-16、-17、-18的丰度大相径庭,于是科学家开始将同位素比率作为岩石起源的标记。

  然而,月球岩石的同位素比率与地球岩石的颇为相似。“在氧同位素比率上,月球和地球几乎无法区分。”Melosh说。其他元素的同位素也是如此。

  1986年,新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个研究团队发表了对大撞击的首次计算机模拟,人们开始对大撞击理论产生质疑。该模型很粗糙——只用3000个粒子来模拟地球—月球系统,但是结果却很明确。他们清楚地显示出,在经历足以产生月球的大撞击后,月球所含有的物质几乎全部来自于碰撞天体。

  最近更多的模拟结果也是如此。2004年,科罗拉多州博尔德市西南研究所的Robin Canup运行的12万粒子模型显示,标准的大撞击会使月球80%的材料都来自于碰撞天体。只有在原始地球和碰撞天体的成分非常相似时,这种不均匀的物质混合才能解释同位素的研究结果,这样的话,原始地球和碰撞天体必须是在相似条件下形成的。

  2007年,这种想法受到了加州理工学院David Stevenson及其当时同事Kaveh Pahlevan发表的一篇论文的打击。在研究中,他们对碰撞天体和地球如何在年轻的太阳周围形成进行了建模,发现即使地球与碰撞天体在相似的轨道上形成,其构成也会非常不同,从而形成不同的同位素比率。

  “大撞击理论有严重的问题。它的原理并不会产生我们所看到的月球。”Stevenson在会上说。

  一些科学家想重新考虑整个大撞击理论。去年,哈佛大学的Matija Cuk和Sarah Stewart提出,碰撞天体要比想象中小得多——只有地球质量的1/200——移动速度却快得多,原始地球旋转速度很快。该模型可以产生一个几乎全部材料都来自地球地幔的月球。

  不幸的是,在该模型下,地月系统产生的角动量是今天的两倍。不过,Cuk和Stewart也提出了一个解决该问题的机制。

  会议上,许多研究人员都抱怨事情变得如此复杂。在旧的大撞击模型中,一个简单的事件就可以创建月球。而在新的模型中,撞击需要有很多后续过程才能实现模拟。

  Melosh称:“这些解决方案并不顺畅,我们想要这样的解决方案:同位素比率的相似是模型的自然结果。”

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