地月“遺傳學”

肖恩·雷蒙德　高鵬

想象一下，對兩位看上去長得極其相似的人進行一次遺傳學檢查。檢查結果顯示，這兩個人的遺傳指紋幾乎完全相同。這意味著什么？他們會不會是一對由于醫院的失誤而分開，從此失散多年的兄弟呢？

地球和月球之間也存在同樣的問題，在同位素水平上（對巖石來說，同位素水平就相當于巖石的“遺傳學”水平），地球和月球在本質上是完全相同的。這一問題已經困擾了科學家數十年。對月球的起源來說，這一點肯定意味著什么，但究竟是什么呢？

在過去的百余年中，天文學家對月球是如何形成的已經提出了好幾種理論：捕獲說，月球是一個被地球引力捕獲的流浪行星；分裂說，早期的地球旋轉得太快了，甩出了月球；大碰撞說，年輕的地球與另一顆正在成長的中行星發生了碰撞，從而創造了月球。近年來，大碰撞說已經成為優選模型。

大碰撞說與我們目前了解的整個太陽系的形成理論相契合，即太陽系的各大行星都是由圍繞著年輕太陽的氣體和塵埃盤積聚而成的。地球和其他行星都是在一系列的碰撞中成長起來的，以塵埃粒子聚集為起點，直至兩個行星大小的天體相碰撞，從而達到最高潮。在最后一次巨大的碰撞中，正在成長中的地球被卷入其中。這次大碰撞在造就一個新地球的同時，也將大量巖石碎屑拋入太空，圍繞著新地球的軌道運行，形成碎屑盤，并由此催生了月球。大碰撞模型是如此受歡迎，以至于人們為卷入此次大碰撞的兩個天體都起了名字：原始地球（地球的前身）和忒伊亞星球（撞擊原始地球的天體，以古希臘女神忒伊亞的名字命名。在古希臘神話中，忒伊亞是月球的母親）。

為了更好地理解這兩個天體，我們需要查看一下它們的“遺傳學”信息，以搞清它們的來龍去脈。在這里，“遺傳學”信息指的是對同一元素的不同同位素進行精確的地球化學測量。對地球化學測量來說，氧元素尤其重要，因為它有三種穩定的同位素。精確測量顯示，地球和月球具有完全相同的氧同位素指紋，也就是說，氧的不同同位素的相對豐度幾乎完全一致。直到2014年，人們才第一次在地球和月球的巖石中檢測到氧同位素的細微差別。這個差別只有地球巖石與火星巖石在氧同位素上差別的1/30。

在大碰撞說中，人們一般認為原始地球和忒伊亞星球的氧同位素特征是不同的，這是因為每一個行星的同位素特征都是由其軌道決定的。由此我們可以推測，要使兩顆行星獲得幾乎完全相同的同位素特征只有一種方式，那就是這兩顆行星幾乎形成于同一個軌道，而這與我們通常認為的行星的成長方式不相符。但是，如果地球和忒伊亞星球有著不同的同位素指紋，那么地球和月球為什么會有同樣的同位素指紋呢？

有關這一問題，現在有幾個潛在的解釋，但它們都需要一些“恰到好處”的前提條件方可成立。但是，很明顯，這些條件都是幾乎不可能的。其中一個可能的解釋是，月球是由原始地球和忒伊亞星球各出一半混合形成的。然而，計算機模擬顯示，對大多數碰撞來說，最終聚集在一起形成類似月球的天體的碎屑盤，其物質主要來自諸如忒伊亞星球一類的天體，只有10%至40%的物質來自諸如地球一類的天體。另一個可能的解釋是，形成月球的碎屑盤在大碰撞后與地球間實現了化學平衡。要使月球的化學指紋與地球相同，這一平衡必須真實發生。但最近的計算表明，實現這一平衡所經歷的時間，要遠遠大于月球形成需要的時間。因此，這一理論也是行不通的。

在2015年4月第9期的《自然》雜志上，亞歷山德拉·瑪斯特魯布諾·巴蒂斯蒂、哈蓋·佩列茨和我，共同對這一長期困擾人們的難題給出了一種新的解釋。前提很簡單：忒伊亞星球和原始地球擁有相同的化學組成。如果這是真的，大碰撞后將不可避免地形成一個與地球的組成完全一樣的月球。

為了驗證這一設想，我們對地球和其他巖質行星的形成進行了一系列的計算機模擬。這些模擬圍繞環繞年輕太陽運行著的、有成千上萬個巖質天體的碎屑盤進行。在大約1億年的時間里，這些較小的天體相互碰撞、成長，最終形成了四顆行星，其中一顆與地球有著直接的血緣關系，另外三顆也是類地行星。

每一次模擬都會產生一顆類地行星：與地球差不多大小，其軌道也離地球軌道很近。我們通過調查每一顆模擬行星是由哪些實體組成，以及“哺育”它們的地帶，追查了每一顆模擬行星的血統。如果一顆行星是由一條狹窄地帶“哺育”的，那么它只能從一個狹窄的環狀區域吸收物質。與此相反，如果一顆行星是由一個寬廣的地帶“哺育”的，它就可以通過與形成于不同軌道的其他天體相碰撞而長大，也就是說，它可以從一個寬廣的盤狀區域吸收物質。

其實很簡單，一個行星的化學指紋圖譜，就是這個星球在成長過程中吸收的所有天體的化學指紋的匯總。換句話說，“哺育”一顆行星的區域決定其化學特征。我們考察了模擬出的每一顆類地行星的成長過程，尤其是每一顆此類行星的最后一次大碰撞，即類似于原始地球和忒伊亞星球的那次大碰撞。我們對這些天體在碰撞前后所處的“哺育”地帶進行了計算，發現事情變得相當有趣。

值得注意的是，原始地球和模擬的忒伊亞星球往往共享一個“哺育”地帶。在碰撞之前它們已經成長了起來，并且有著相同的分布組成。這一現象并不是在每一次模擬中都會發生，但是出現的概率十分穩定，大約每4次模擬中就會出現1次。這就意味著，我們構想的情節的確可能發生：在忒伊亞星球和原始地球碰撞之前，它們就擁有了相同的同位素（基因）指紋，這意味著地球和月球應該也擁有同樣的指紋。兩位鄰居擁有相同的基因，并不是因為他們是失散多年的兄弟，而是因為他們的祖先具有相同的物質構成。

在我們進行的計算機模擬中，“哺育”了忒伊亞星球的地帶，幾乎總是與“哺育”了原始地球的地帶非常相似，它們之間的相似度遠勝于“哺育”了其他鄰近行星的地帶。我們知道，火星的同位素指紋與地球和月球的同位素指紋完全不同，這一點與我們的上述模擬結果完美契合。

最后還有一個小問題，出現在利用我們建立的數學模型計算行星的實際同位素特征上。這么做是為了確證地球和月球具有相同的同位素指紋，并計算出其中的差異水平。但是這一情況很棘手，因為我們不知道起始條件是什么，不知道太陽的行星形成盤的化學梯度是怎樣的。坦率地說，我們對此一無所知。通過簡單的假設，我們發現，在計算機模擬中可以提供一個很好的匹配的可能性為10%至25%。當然，關于這一步也有一些爭論，因為由內森·凱伯和尼克·考恩進行的另一項研究得出了不同的結論：原始地球和忒伊亞星球的一個延伸帶足以生成地球和月球。我們之間的分歧既十分微妙，又十分重要，目前我們正致力把這種分歧理清。

現在你明白了吧。地球和月球擁有同樣的同位素指紋，也許是在告訴我們原始地球和忒伊亞星球擁有共同的起源。早在大碰撞發生之前，它們的化學特征就已經相同了，它們是吸收了相同的原材料成長起來的。這要感謝行星基因學，它使得我們可以確信：“是的，我們就是知道。”