月球密約

鄧雪梅/編譯

月球有著同地球外側(cè)相類(lèi)似的組成部分

●美國(guó)西南研究所的行星學(xué)家羅賓·坎普（Robin Canup）認(rèn)為，目前對(duì)于月球的起源人類(lèi)知之甚少，它的形成或是一次宇宙偶然事件的發(fā)生。為了科學(xué)認(rèn)知月球起源，坎普指出，在完善相關(guān)月球模型的同時(shí)，有必要適時(shí)執(zhí)行一次金星探測(cè)任務(wù)。

在天空中，月球不僅僅是一個(gè)熟悉的景象，它還決定了地球上的狀況。月球足夠大，以至于能夠穩(wěn)定地球的旋轉(zhuǎn)、保持地球極軸的穩(wěn)定。如果沒(méi)有月球，地球的傾斜會(huì)混亂地變化幾十度。如此大的變化或許不會(huì)妨礙生命的誕生，但卻會(huì)導(dǎo)致一個(gè)完全不同的地球氣候。

弄清月球的組成是了解地球和其他行星形成的關(guān)鍵。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，有關(guān)月球起源的工作主要專(zhuān)注于“大碰撞”模型。該模型指出，另一顆天體同正在形成的地球相撞而產(chǎn)生了一個(gè)殘留物星盤(pán)，這些殘留物最終并合成目前的月球。在45億年以前地球形成的最后階段，這種大碰撞在太陽(yáng)系隨處可見(jiàn)。

然而，我們還不詳細(xì)地了解這樣的碰撞是如何能夠產(chǎn)生地球和月球的。在過(guò)去的幾年中，為了解釋觀測(cè)到的地月系統(tǒng)特征，計(jì)算機(jī)模擬、來(lái)自月球任務(wù)的數(shù)據(jù)和巖石的同位素分析已增加了新機(jī)制的可能性。

相同與不同

主要的挑戰(zhàn)是要同時(shí)解釋地球和月球的動(dòng)力學(xué)——特別是包含在月球和地球軌道中的整個(gè)角動(dòng)量——同時(shí)還要解釋為什么它們的許多成分有著相似之處。一塊巨大的撞擊體同地球的碰撞會(huì)提供所需的角動(dòng)量，但碰撞也產(chǎn)生了來(lái)自于撞擊體的碎片所衍生的一個(gè)星盤(pán)。如果下落天體有著同地球不同的成分，那么為什么月球的組成同地球的外側(cè)如此類(lèi)似呢？

到目前為止，相關(guān)的解釋傾向于還存在一個(gè)額外的進(jìn)程——來(lái)自于地球和月球物質(zhì)的大量混合或與太陽(yáng)的一次后期引力共振——可行性尚不清楚。因此，行星科學(xué)家們需加倍為地月系統(tǒng)的建模而努力，鑒定出月球和地球巖石中的化學(xué)特征，這或可以排除一些方案或其他建議。

月球和地球的組成明顯存在差異。地核中富含鐵，其含量占據(jù)了地球質(zhì)量的約30%。相比之下，鐵僅占據(jù)月球質(zhì)量的不到10%。月球還含有少量易于蒸發(fā)的元素（如鉀），或這些元素可能已經(jīng)蒸發(fā)掉，并且隨著月球從熱星盤(pán)中形成而逐漸消失。

20世紀(jì)70年代，來(lái)自于“阿波羅”計(jì)劃的樣品分析顯示了月球和地球的硅酸鹽幔有著相同的氧同位素（至少在測(cè)量精度范圍以?xún)?nèi)是這樣的），這與來(lái)自于火星以及小行星帶上的物質(zhì)不同。近年來(lái)，地球和月球的相似性在不斷增加：月球與地球上的鉻、鈦、鎢和硅同位素組成似乎也沒(méi)有什么區(qū)別。

美國(guó)宇航局 （NASA）GRAIL探測(cè)器對(duì)月球引力的觀測(cè)，連同NASA的月球勘測(cè)軌道飛行器一起，減少了對(duì)于月殼厚度和其鋁豐度的估測(cè)。這些測(cè)量表明，難熔元素（高冷凝溫度的金屬）在地球和月球中同樣豐富，而不是以前所認(rèn)為的月球含量少于地球。

總的來(lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)意味著月球或直接起源于地球的地幔物質(zhì)，或月球和地球的硅酸鹽成分來(lái)自于相同的混合物質(zhì)。無(wú)論是哪種情況，似乎都伴有一些特殊狀況。

碰撞模型

月球碰撞模型是通過(guò)模擬進(jìn)行的。由于行星碰撞所引起的高能量足以熔化甚至部分氣化它們，模型中加入了壓力和相位變化。引力相互作用和力矩也包含其中，因?yàn)榕鲎才で诵行遣⑺槠瑖娚涞揭粋€(gè)星盤(pán)中。

在20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)大碰撞模型中，月亮被解釋為由一顆火星大小的天體同早期地球緩慢撞擊而形成（其質(zhì)量大約為地球質(zhì)量的10%到15%），碰撞使得地球快速旋轉(zhuǎn)，月球軌道每隔五小時(shí)接近地球。隨后，引力的相互作用以及力矩，使得月球軌道將地球的轉(zhuǎn)動(dòng)減慢到現(xiàn)在的24小時(shí)一圈。這個(gè)模型得到了月球的質(zhì)量、地月系統(tǒng)的角動(dòng)量以及月球缺乏鐵的原因。

更詳細(xì)的化學(xué)性質(zhì)是很難解釋的。但是，撞擊天體同早期地球有著相同的組成幾乎是不可能的。例如，火星的氧同位素成分50%以上不同于地球。如果這顆撞擊體如同地球與火星一樣的不同，那么這些不同在月球中仍然是可探測(cè)的，即使是在一次巨大碰撞后。

由美國(guó)宇航局GRAIL探測(cè)器所繪制的月球引力場(chǎng)

一個(gè)被稱(chēng)為平衡模型的絕妙解決方案，于2007年由行星科學(xué)家卡韋赫·帕拉凡（Kaveh Pahlevan）和大衛(wèi)·史蒂文森（David Stevenson）提出。他們認(rèn)為，從星盤(pán)和地球外部蒸氣相混合這一過(guò)程發(fā)生在碰撞之后、月球形成之前。然而，這一模型的缺陷是，這些蒸氣要徹底擴(kuò)散和混合至少需要100年時(shí)間。但在當(dāng)時(shí)，遠(yuǎn)離星盤(pán)的部分應(yīng)當(dāng)開(kāi)始在形成月球。

很可能月球內(nèi)部保留了這顆撞擊天體的成分，至少月球巖石中沒(méi)有保留相關(guān)的紀(jì)錄。另一難題是，碰撞后的蒸氣揮發(fā)元素應(yīng)該比難熔元素容易混合，但地球和月球中的氧和鈦是相同的。

2012年，馬蒂賈·庫(kù)克（Matija Cuk）和薩拉·斯圖爾特（Sarah Stewart）擴(kuò)大了形成月球可能碰撞的范圍。他們證明了，當(dāng)月球進(jìn)動(dòng)周期同地球軌道的一年相匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生太陽(yáng)和月球的一個(gè)共振——如果它保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間——把地球的旋轉(zhuǎn)速度減半。隨后，更大的角動(dòng)量影響變得可行，包括能產(chǎn)生帶有地幔成分的一個(gè)星盤(pán)的兩種情況。

由庫(kù)克和斯圖爾特提出的 “快速旋轉(zhuǎn)地球”模型，需要一顆略小于火星的天體同地球碰撞，而地球由于早前的一次撞擊已經(jīng)以2至2.5小時(shí)為周期旋轉(zhuǎn)。因?yàn)椋厍虻男D(zhuǎn)接近臨界速度開(kāi)始變得不穩(wěn)定，形成月球的撞擊把部分地幔物質(zhì)送入軌道，從而產(chǎn)生了一個(gè)星盤(pán)。

同樣在2012年，有科學(xué)家提出“半地球撞擊”模型。在這個(gè)模型中，月球是由兩顆行星撞擊形成的，每一顆行星的質(zhì)量相當(dāng)于地球質(zhì)量的一半（見(jiàn)圖表）。最后，行星和星盤(pán)包含了一半撞擊天體和一半被撞擊天體。與標(biāo)準(zhǔn)碰撞模型相比，這個(gè)模型需要一個(gè)大撞擊體，這一設(shè)想因此顯得不太可能。然而，這兩個(gè)模型都對(duì)月球和地球?yàn)槭裁从兄?lèi)似氧、鉻和鈦組成做出解釋。

為了解釋硅和鎢的相似之處——能夠同金屬相互作用的元素——這兩個(gè)模型要求撞擊體的鐵核保留完好。因?yàn)樗鼤?huì)沿著地幔下降并同地核混合在一起，避免了與其他金屬和硅酸鹽間的相互作用。但是，這些模型中是否減慢地球轉(zhuǎn)動(dòng)的共振機(jī)制，目前尚不清楚，或者需要一個(gè)不大可能的狹窄范圍條件。換句話說(shuō)，月球起源要比我們認(rèn)為的更加罕見(jiàn)嗎？或者我們錯(cuò)過(guò)了一些東西嗎？

未來(lái)方向

迄今，有關(guān)月球起源的模型還沒(méi)有一個(gè)能脫穎而出，其關(guān)鍵在于能否在一些領(lǐng)域取得突破，或排除一些模型，或支持一些引導(dǎo)我們走向月球起源方向的新模型。

首先，至關(guān)重要的是理解星盤(pán)形成以及從星盤(pán)中形成的月球。因?yàn)樵谠虑蛐纬芍埃@種混合使星盤(pán)和這顆行星的組成變得均勻，或揮發(fā)元素從星盤(pán)中丟失。而標(biāo)準(zhǔn)碰撞模型主要針對(duì)產(chǎn)生液體的星盤(pán)，在大角動(dòng)量的碰撞下，星盤(pán)最初主要是蒸氣。這樣的演化星盤(pán)模型在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，需要多學(xué)科方法對(duì)其動(dòng)力學(xué)和化學(xué)特性進(jìn)行闡述。

其次，一個(gè)能夠改變地月角動(dòng)量共振的可能性需要對(duì)早期地球和月球的各種物理狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并通過(guò)先進(jìn)的模型來(lái)研判它們之間的潮汐作用。

最后，進(jìn)一步對(duì)月球和地球物質(zhì)的同位素比較將是極其重要的，包括難熔元素（如鈣），進(jìn)而用來(lái)檢驗(yàn)平衡模型。如果能找到不可能在100年里混合成氣相的元素，且這些元素在月球和地球中是相同的，而在火星中是不同的，那么平衡模型就站不住腳；反之，如果在高難熔元素中發(fā)現(xiàn)地月同位素的差異，則平衡模型可以確立。

相比于諸如硅等元素，氧氣可能提供了月球形成的最重要同位素約束，而地月系統(tǒng)、火星以及大多數(shù)隕石的氧同位素成分不同，反映了內(nèi)太陽(yáng)系中不同的初始成分——氧同位素豐度受后形成行星過(guò)程的影響。因此，提高氧同位素測(cè)量的精度可能會(huì)潛在排除一些碰撞模型。

一系列事件確實(shí)在自然界中發(fā)生，但科學(xué)家們正在尋求最簡(jiǎn)單的解決方案，力圖避免在模型中出現(xiàn)這種復(fù)雜性。而作為一個(gè)美學(xué)問(wèn)題：簡(jiǎn)單的方案往往更可行。隨著步驟的增加，特定順序的可能性相應(yīng)會(huì)減小。相比于原始大碰撞模型，當(dāng)前模型的復(fù)雜性似乎不太可行。

一條線索可能存在于金星。月球撞擊體其成分同地球極其不同，這一觀點(diǎn)主要基于我們所了解的火星。我們并不了解金星的同位素成分，這顆行星同地球很相像，無(wú)論是質(zhì)量還是到太陽(yáng)的距離。如果金星的同位素同地球和月球相似，那么火星似乎是一個(gè)例外，一個(gè)類(lèi)似于地球的撞擊體成分更有可能，許多異議可以從標(biāo)準(zhǔn)碰撞模型中去除。

確定金星同位素的成分，可能需要去執(zhí)行一個(gè)金星探測(cè)任務(wù)。這樣一個(gè)誘人的前景在提醒科學(xué)家：我們的太陽(yáng)系后院，究竟還有多少是需要人類(lèi)了解的。