科学家发现月球或仅用五小时形成

五小时科学家揭秘月球可能的形成时间

艺术家对月球形成事件的想象图。来源：NASAJPLCalTechT。Pyle

月球在塑造其诞生的巨大撞击发生后的数小时内，可能就已大体完整地形成。

与太阳系中处于其大小和位置的行星相比，地球拥有一颗异常大的卫星，但科学家们仍未完全了解这颗卫星是如何形成的。如今，西南研究院和亚利桑那大学的研究人员利用先进的计算机模拟，揭示了约45亿年前一个火星大小的天体撞击地球时可能发生的重要差异。

这项发表在《天体物理学杂志通讯》上的研究结果首次考虑了两个相撞天体的物质强度。这一补充内容可能会改变科学家对月球形成撞击事件的重建方式，并最终有助于确定碰撞发生的时间范围。

“我们发现，火星大小的原卫星的原有地质情况很重要，”月球与行星实验室的前博士后研究员阿德妮·登顿（Adeene Denton）说，她现在在美国西南研究所（SwRI）工作。“当你将地球和月球模拟为具有地质属性的碰撞体时，这会改变月球在那次撞击中形成的方式——这是我们之前认为没必要考虑的因素。”

西南研究院主导的一项新的建模研究考虑了物质强度因素，结果发现，在一颗火星大小的撞击体与地球发生巨大碰撞后，月球形成的方式发生了根本性变化。不考虑强度因素的模拟（上图）会产生一个碎片盘，随着时间推移，这个碎片盘会形成月球；而考虑强度因素的模拟（下图）则可以直接形成一个完整的月球。这些情况通常对应着温度较高（上图）和温度较低（下图）的碰撞行星，一般而言，前者对应着碰撞发生时间较早，后者对应着碰撞发生时间较晚。这些情况也可能会影响月球和地球的组成，而这在科学界仍是一个有待解决的问题。 图片来源：西南研究院

重新思考大碰撞假说

巨型撞击假说的依据之一源自罗宾·卡努普（Robin Canup）和埃里克·阿斯福格（Erik Asphaug）2001年开展的一项研究。卡努普是科罗拉多州博尔德市西南研究院太阳系科学与探索部门的副总裁，阿斯福格是月球与行星实验室的教授，也是这项新研究的合著者。

根据大碰撞假说，一个名为忒亚的火星大小的天体与年轻的地球发生了碰撞。这次碰撞摧毁了忒亚，并将其物质散布到环绕地球的一个圆盘状区域，在那里，这些残骸最终聚集形成了月球。

那些早期的模拟以及许多后期的模型都没有考虑碰撞天体内部物质的强度。科学家曾假设，在一次足以使大量岩石熔化和汽化的撞击过程中，这种特性的影响很小。丹顿及其同事利用包含与温度相关的地质强度的较新计算技术对这一假设进行了验证。

因为这次碰撞被认为足够剧烈，以至于熔化并汽化了地球和忒伊亚的大量部分，以前的论文认为可以将它们近似为流体。“但根据我们的新结果，我们认为现在需要重新考虑这一点。”阿斯法格说。

添加逼真的岩石物理效果

德顿使用了一种更先进的平滑粒子流体动力学模拟方法，即SPH，该方法考虑了参与物体的结构强度。

“事实证明，当你研究小行星、矮行星和卫星等较小天体之间的碰撞时，物质强度真的非常重要。”丹顿在撰写一篇关于冥王星卡戎系统形成的论文时，萌生了将这一概念应用于地球月球的想法。“我们不确定这对月球是否重要。当我们进行模拟时，发现这其实相当重要。”

本研究中使用的平滑粒子流体动力学（SPH）方法由阿尔伯塔大学和瑞士伯尔尼大学开发。其强度模型使模拟的行星体能够以符合真实地质材料预期的方式抵抗变形，这些材料包括构成忒伊亚（Theia）和原地球的岩石和金属，或者固态冰。

月球可能在数小时内形成

温度显得尤为重要。更热的天体比更冷的天体更容易变形，模拟显示，地球和忒伊亚的温度会显著影响它们碰撞的结果。

在某些情况下，忒伊亚被摧毁，其物质在地球周围形成了一个原月球盘。随后，月球逐渐由这些碎片聚集而成。然而，在其他条件下，模拟结果显示，撞击发生仅数小时后就会形成一个完整的月球。

由于原行星一开始温度较高，并且会随着年龄增长而冷却，这种关系为巨型撞击发生的时间与月球最初的形成方式之间建立了一种潜在联系。

“取决于地球和月球在碰撞前的温度有多高，这次撞击可能会摧毁忒伊亚，并产生一个巨大的碎片盘，最终形成月球，”登顿说，“但当我们使用与原始撞击模型相同的参数——包括两个天体内部相同的温度结构——大约五小时内，一个月球就完整地形成了。”

此前的模拟也产生了完整的卫星，但这项新研究首次证明，温度和物质强度在决定卫星是基本完整地形成，还是后来由原卫星盘中的物质聚合而成这一过程中起着决定性作用。

这些令人惊讶且激动人心的新成果暗示，如今月球的物理性质（或许包括其挥发性物质含量）与地球和忒伊亚在巨型撞击发生时的热状态之间可能存在联系，未参与该研究的卡努普表示。这反过来可能有助于科学家更好地确定月球形成事件发生的时间。

一个重大谜团仍未解开

新的模拟研究并未解开关于月球起源的所有谜团。一个长期存在的问题是，构成地球和月球的物质有着惊人的相似性。

如同之前的模型一样，解释这两个天体为何在组成成分上如此相似仍然是一个未解之谜。

“因为地球和火星是在太阳系同一区域形成的，所以它们就像兄弟姐妹一样。”丹顿说，“而月球与地球的关系则更像异卵双胞胎。”

一种可能性是，忒伊亚和原地球起源于太阳系的同一区域，因此由相似的物质形成。火星的成分与地球和月球都不同，它可能形成于更遥远的地方。

“我们现在知道，地球和忒亚的地球物理状态在塑造这次碰撞的结果方面起着至关重要的作用，”该研究的共同作者、阿斯福格研究小组的博士生纳姆亚·拜贾尔说，“这为我们探索此次撞击的条件以及它们可能揭示的月球起源提供了一种新方法。”

参考文献10。384720418213ae91e9

相关知识（天文术语）

月球是地球唯一的天然卫星，它围绕地球旋转。其表面布满了由小天体撞击形成的撞击坑，没有大气层，昼夜温差极大。月球对地球影响深远，引发潮汐现象。它还承载着人类的探索梦想，各国都积极开展月球探测活动。

BY: University of Arizona

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://scitechdaily.com/scientists-discover-the-moon-may-have-formed-in-just-five-hours/

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