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地球可能有过两个月亮?两个天体温柔碰撞变成一个

北京时间7月22日,据国外媒体报道,半个多世纪以来,月亮一直在“傻笑”科学界最好的头脑,向地球科学家Erik Asphaug Said表示他已经“实现了”。

1959年10月7日,当Aspau三年前出生时,苏联月球3探测器飞越月球后面,拍摄了一系列颗粒状但鲜明的特征。并使用无线电将它们发回地球。由于月球的旋转与其旋转完全同步,因此一个半球总是指向地球,而另一个半球总是看不见的。在月球的第三张照片上拍摄的月球背面的图像中,您可以看到一大片不均匀的灰色高地,与月亮另一侧的迷人光明和黑暗区域完全不同。行星科学家的普通人不会看到它。这个奇怪的区别,“我记得当我还是个孩子的时候,我看到了一个显示月球远端的新闻节目。我觉得令人难以置信的是,行星的两端是如此不同,”Aspauhaus Say。

▲原始月球是否曾与另一颗地球卫星相撞,形成我们今天看到的月球?

2010年,美国加州大学圣克鲁斯分校地球与行星科学教授阿斯伯格(aspauge)出席了一个研讨会,他仍在等待对月球强烈不对称性的解释。当他的同事伊恩加里克贝瑟尔(ian garrick bethel)说出他的答案时,他听着,变得越来越不安。在这一最新的理论中,数十亿年前,地球的引力在月球上引起了强烈的潮汐,而当时月球还年轻,处于熔融状态。潮汐引起的膨胀随后被冻结在原地,在月球背面形成一个更厚的地壳和独特的地质构造。阿斯帕乌现在觉得这种观点没有意义。他说,就像地球的涨潮一样,在远端和近端都会有凸起,但这个理论只提到远端凸起,“所以答案一定是奇迹发生了,凸起的另一边被消除了,这使得问题比以前更加复杂。”

在恼怒的同时,阿斯鲍格也受到了启发。多年来,他一直致力于模拟太阳系早期的低速撞击。他说:“人们总是有偏见,只在关注冲击力时才会考虑超高速事件。人们忘记了物体可以以较低的速度撞击。这样的事件是有建设性的,而不是破坏性的:如果两个物体碰撞得足够慢,它们就会碰撞并粘在一起。“这就像在房子的墙上扔泥巴或互相扔雪球,”阿斯沃尔格一直认为,这种低速撞击可以解释彗星的形成。突然,他意识到他可能已经找到了月球问题的答案。他请博士后研究员马丁朱兹解释他的想法。如果地球最初有两个卫星,但后来合并成我们现在知道的月球,这意味着什么?

“在研讨会结束时,我们去了实验室,马丁编写了被另一个月亮击中的月球,”Aspauge说。这些计算的结果是对月球不对称的新解释。在Aspauge看来,凌乱的月球高地是另一颗地球卫星的残骸,它曾经绕地球轨道并最终附着在月球表面。难怪地球的另一面看起来像另一个完全不同的世界。新模型提供了对古代起源和月亮现代外观的全面描述,但对于Aspauer来说,这个概念并不止于此;它显示了一个更广泛但很大程度上被忽视的行星形成过程。过程:两个天体的“温和”碰撞。

月球裂变理论与大碰撞

月球如何形成:模拟原始月球与另一颗地球卫星之间的碰撞表明,碰撞后,两者的质量相结合,形成一个不对称的半球。淡蓝色表示月球地壳,深蓝色表示月球地幔,黄色表示上层地幔物质,代表由熔岩组成的“海洋”。大多数其他卫星堆叠成薄层,形成类似于月球背面高地的山区。

像大多数科学理论一样,Aspauer的大型碰撞模型基于之前的研究。事实上,对月球起源的第一次真正的科学描述也是围绕两个行星之间的相互作用建立的,但它设想的是分离而不是连接。 1878年,查尔斯达尔文的儿子乔治达尔文(George Darwin)暗示月球是从快速移动的新生地球上抛出的,就像一个任性的孩子从旋转木马上掉下来一样。他推测地球上的缺失区域应该是太平洋盆地。

这个“月球裂变”已经存在了很长时间,并且在阿波罗登陆月球之前很受欢迎。但从动态的角度来看,这种说法并不属实。没有合理的方法让地球足够快地旋转以摆脱地球的一部分表面;即使有,也没有办法吸收足够的角动量来匹配地球和月球的当前物理状态。至于太平洋,它只是一个暂时的特征,只与大陆的现代安排有关。大约44亿年前,当月球形成时,太平洋并不存在。 (当然,乔治达尔文的理论比板块构造的概念更接近。90年代)。

关于月球起源的其他故事也随之而来,每一个故事都假设地球与月球之间存在着不同的关系,但却有其致命的缺陷。美国天文学家托马斯杰斐逊杰克逊说,月球是作为一个独立的行星形成的,然后由地球捕获进入轨道。该理论的缺点是地球的引力不足以设置陷阱。其他研究人员,如法国数学家爱德华罗奇,认为在太阳系的早期,月球和地球是连在一起的。该理论的缺点是,当地球化学家研究阿波罗宇航员带回的重量为382千克时。当Moon Rock发现月球的整体成分与地球的成分不同,并且缺乏易于蒸发的化合物,即挥发物。曾经合并的世界应该更加接近。

然而,在许多其他方面,月球的化学成分与地球的化学成分非常相似。月球岩石中两种不同类型氧气的比例几乎与地球岩石中的相同。氧气的比例就像一个身份标签,可以告诉你物体的形成位置。陨石有自己的比例,火星也有自己的比例,从氧元素比来看,月亮就像地球的孪生兄弟,所以可以说月亮和地球根本不是,但是像地球,另一方面,月球末端的不对称是另一个需要解释的微妙问题。

行星科学家分析了所有复杂的证据,并受到1975年发表的两篇开创性论文的启发,形成了一种新的月球起源理论巨型撞击理论。在这个模型中,地球出生时没有月亮。地球形成后不久,它就与一个火星大小的天体相撞。这个天体通常被称为Theia,是希腊神话中月亮女神Selene的母亲。 )。这种影响导致伊亚与地球的大部分外层蒸发,一些物质被深深地抛入太空,但大部分物质在“受伤”的地球周围形成一个圆盘。在很短的时间内(可能只有十年),围绕地球轨道运行的物质凝结成月球。

大碰撞理论很容易解释地月系统的大部分化学和动力学特性。虽然仍存在不确定性,但该理论几乎普遍被认为是对月球起源的最佳解释,但大碰撞并非如此。回答一个在我们面前不容忽视的重大问题:为什么今天的月亮看起来像这样?

月亮的不对称

我们眼中月球表面的黑暗部分实际上是一个巨大的平原,由冰冻的熔岩组成,称为“玛利亚”(拉丁语中的“海洋”,17世纪的天文学家伽利略用它来指代月球的低地),因为因此,几乎所有玛丽亚的地形都接近月球的尽头。更一般地说,早期月球在面向地球的半球上的火山活动要活跃得多。美国宇航局的重力恢复和室内实验室(GRAIL)任务测量了月球地壳,并证实了地球一侧的月球背部较厚;该任务还发现月球很近(并且只在地球附近)。半球有一个长线埋葬网络。行星地质学家将此解释为火山脉。答案似乎很明显。所有这些不平衡都是由引力引起的,但没有物理物理学。信中证明这种联系的方法。

长期以来,人们一直试图解释这种不对称性。已经提出了不断的想法。经过一段时间的讨论,结果往往不能令人满意。人们通常会把这个问题放在一边。 2013年秋天,加州理工学院的大卫史蒂文森共同赞助了一个关于如何在皇家学会中形成月球的大型会议。他对同事们避免许多问题感到惊讶。 “房间里有一个房间。”大象,但人们似乎忽略了它,但看看角落里的猫。“

在许多方面,Aspau的新模型是对月球主流观点的有机延伸。实际上,这是当前有关行星如何形成的思考的有机延伸。新生的太阳系始于45亿年前,从尘埃到岩石,从小行星到行星,并形成围绕新太阳旋转的圆盘,从对陨石的分析到围绕其他新兴恒星的类似盘。观察,结果很好地证明了这一点。当行星聚集在一起时,越来越大的物体必须相互碰撞。 Aspauge指出,某些碰撞必须足够小,以使两个天体粘在一起以形成更大的天体。否则,地球将停止增长,我们的太阳系将变成破碎的废墟。

Aspholger的职业生涯一直在探索这种碰撞过程的精妙之处,多年来,他为主流的大型碰撞模型做出了重大贡献,帮助提升了“ Ia”作为火星大小的入侵者的地位。他说,在与地球相撞的过程中,“我意识到吸积并不完美,而且非常复杂”,他开始将自己的“几乎吸积”事件称为两个事件。行星没有完全碰撞,很感兴趣;认为这种巨大的冲击只是一系列可能发生的碰撞的一个例子,最终两个行星都完好无损地幸存下来。

阿斯帕奇说:“在达到行星科学知识的极限之前,您需要做的工作很少。这不像物理学。您必须经历400年的历史才能找到一个尚未解决的新问题。” “在行星科学中,有许多基本问题没有一个好的答案。您开始说,'您是这样认为吗?真的吗?我也有一个主意。'

两个月亮?

会议室的顿悟让Aspauge想起了大碰撞后发生的事情。行星科学家通常认为碰撞后只有一颗卫星,但这不是唯一的可能性。 Aspauge认为,这两颗卫星的视图与他为彗星建造的计算机模型完全一致。 “我们有分歧。这就像某种巧合。”

哈佛天文学家Matija Cuk推测第二个月亮可能来自哪里。他指出,当大碰撞产生一个围绕地球旋转的巨大气化岩环时,同一轨道上有两个稳定点,月球前方60度,后方60度。这些稳定点就像引力潮池。平静的地方可能形成第二个较小的天体。库克没有命名卫星,但为了清楚起见,它被命名为Endymion,以希腊神话中月亮女神的爱人Selene命名。

起初,月亮和Endi Mion生活在和平中,但随着时间的推移,事情发生了变化。引力的相互作用使主月亮螺旋离开地球,改变了整个系统的动态。 Endi Mie的位置不再稳定,最终落入了“情人”的怀抱。库克认为Endymion最终分裂,像小行星雨一样落在月球上,另一种完全不同的可能性,如Aspholg所见。

当物体在同一轨道上运行时,它们会非常缓慢地相互碰撞,大约是物体落下的速度,因此没有碰撞或大量熔化。这不是一个巨大的影响,而是一个山体滑坡。这应该是你能想象到的最大的山体滑坡之一。在后期阶段,恩迪亚姆的残骸将以每秒数百米的速度下降,这只是导致这一过程发生的初始影响速度的百分之一。

如果进行计算,您会发现冲击力中有凸起。在Aspauge模型中,这是由密度稍低的材料制成的加厚地壳,凸出的形状与月球的远地壳的实际形状是一致的。他估计Endymion需要大约1000 km的宽度来解释额外的地壳质量。这是一个合理的大小,大约是现代月球直径的四分之一,因此一个小的天体将在1亿年内冷却成坚固的岩石,这个年龄也大约是恩迪米娅不稳定的时期。当它破裂并降落在月球表面时,它形成了一个半球形的砾石场,可以解释月球。远端的硬皮。

大碰撞还有其他有趣的结果。落在月球一个半球上的所有岩石重量都压缩了富含放射性元素的熔融材料,迫使其移动到另一个半球,因此不仅造成地壳不对称,还导致热不对称。月球侧的热量聚集也可能使其膨胀,形成GRAIL探测器所见的静脉,因此可以使用月球远端的厚皮,近端火山活动和神秘的月球静脉。一旦。清楚说明。

阿斯鲍尔不相信这次大碰撞能充分解释月球的惊人不对称性。深色部分集中在月球的近侧。他承认这有点牵强,因为形成月球玛丽亚地形的熔岩流在很晚之后就破裂了。然而,通过解释月球形成后大约十亿年,他的模型至少解释了分析不均匀性的适当条件,即月球远端的地壳较厚,近端的内部热量较大。熔岩在两个半球中的分布。

Aspauger的观点令人信服。尽管巨大的碰撞无法解释月球上的所有异常失衡现象,但确实可以解释其中的大部分现象。但是,到目前为止,Aspau的观点不是很热情,不是月亮,而是两个?天体的撞击会导致山体滑坡而不是灾难?

普渡大学的高级行星科学家,GRAIL团队的成员杰伊梅洛斯提出了一个问题,即近端和远端的月球外壳密度是相同的。你怎么解释这个? Endymion的密度可能与月球表面的密度相同,但缺乏多样性“至少使得Aspauer的大型碰撞模型更难以维持。”像Cook这样的动力学专家支持这种模式然而,主要的批评并不是没有证据可以反驳大碰撞。实际上没有,但没有足够的证据支持它。

Aspauge的感觉是一样的。 “可以说,我们的假设可以解释很多事情,但相对来说,这是不可能测试的,”他说。 “我们迫切需要数据。”一种方法是在月球上建立地震网络,因此可以阅读月球内部结构的完整历史。无论在大碰撞过程中发生了什么(如果已经发生)或碰撞后,它都会在月球内部留下深刻的痕迹。美国宇航局发射的InSight探测器于2018年降落在火星上,这是一个为火星建造的高精度地震观测台。然而,每一项启动类似月球任务的建议都被拒绝了。

幸运的是,行星科学家还有其他方法来测试Aspauge的模型,并了解行星和卫星是如何形成和演化的。 “近乎吸积”事件的证据可能在我们周围。彗星可以保存古代碰撞事件的遗迹。冥王星及其大型卫星卡戎很可能在大型碰撞中形成,类似于形成月球的碰撞。 2015年,新地平线飞船在冥王星附近飞行,火星有一个独特的北部和南部。不对称,洞察探测器的工作将有助于调查火星是否也受到了打击。

土星的复杂卫星系统可能是多次碰撞和合并的结果。水星在形成过程中遭受了一次或多次撞击,这解释了富含铁的金星的高密度结构,其热地壳不太可能存在。水的原因。

月球的最终灵感来自于行星的形成既邋and又富有创意,而且差异很大。使用现代计算机代码,我们可以探索非常大的参数空间,这很有趣。