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太初纪元,诸月争辉——月球起源再一说
#文艺
45亿年前,原行星忒伊亚(Theia)撞上了地球。忒伊亚当场粉碎,地球也遭受重创。前者的大部分碎屑溅入太空,在地球引力的拉扯下散布于环绕地球的轨道上。碎屑间频繁碰撞、吸积,最终聚合为今日月球的雏形。 自上世纪70年代以来,大冲击理论为我们描述的这副图景,已然构成人们对月球起源的科学认知。它在观感层面上“冲击”着人们的想象力,甚至为不少灾难主题的科幻作品提供了灵感来源。 然而就在2017年年初,大冲击理论自身也遭受了一次新的冲击。

地球如此多娇,引得那忒伊亚竟折腰。这是解释月球形成的经典的大冲击理论。不过,咱们今天要挑战它。图片来源:picphotos.net

挑战者名为“多重撞击理论”,由以色列学者拉卢卡·鲁夫(Raluca Rufu)牵头提出。在这套新理论里,忒伊亚活生生变成了“忒伊亚们”,月球也成了“月球们”。等那些“忒伊亚们”挨个撞完地球,地球还要眼睁睁地看着这群小月亮在自己轨道上继续“互相伤害”。 科学家创造出这么一副诸月争辉的奇观,显然不是让咱们开脑洞用的。大冲击理论还有一些历史问题没有解决,新理论的真正目的,就是为解决这些历史问题提供一些新的思路。

地球挨撞免不了

现代科学解释月球成因,为什么非得让地球挨撞才行呢?科学家之所以提出这么疯狂的猜想,是因为照理来说,像地球这种质量不太大的天体,根本没资格拥有月球这样的“奢侈品”。要知道,月球可是太阳系第3大卫星——正常情况下,这么大的卫星只能是质量庞大的巨行星们的“家臣”。像地球这样引力不足的小石头疙瘩,连在自身的赤道面上形成一个规模可观的尘埃盘的能耐都没有,更甭说用引力捕获已然发育成型的过路大天体作为卫星了。 然而,硕大的月亮又确确实实地存在于地球的天空之中。不是跟地球一起形成的,也不是靠自身的引力抓来的,那这个月亮到底是怎么来的呢?还可以别人自己撞上来的——这就是所谓的冲击事件。冲击事件的必要之处在于,它能在已然发育成型的岩质星球周围,再提供足量的尘埃物质,作为前者构筑大卫星的基础原料。在太阳系早期动力学行为上,原行星相撞这类事件本身也充分合理,甚至十分常见。 不过,以前的假说都认为,这样的撞击只发生了一次。如果只撞过一次,那就会遇到一个问题:在角动量守恒这条雷打不动的物理铁律之下,人们需要让45亿年前的地月系统角动量跟45亿年后的今天大体相等。为了保证这一点,忒伊亚的质量以及它撞击地球的角度就必须得恰到好处才行。 天体动力学上的这种妥协,在行星化学上多加了一个镣铐——如果按照算出来的角度侧向相撞,溅出去的碎屑必然大部分来自于忒伊亚。碎屑形成月球之后,其化学组成应该类似忒伊亚,而非地球。 在人类还不太清楚月球化学组成的年代,当然可以随意设想,但当阿波罗登月计划的宇航员带着实打实的月球样品回到地球时,人们发现:月球的微量元素和同位素特征居然与地球高度相似(尤其是氧、钛、钨这些元素的同位素配分特征)。换句话说,作为地母盖娅与月母忒伊亚的儿子(咦?),月球身上继承的特点并非来自那个存在于想象中的原行星,而来自于我们脚下实打实的地球。

忒伊亚怎么撞我们地球,可是有讲究的,不然咱们今天就没有大月亮可看了。图片来源:museumvictoria.com.au

模棱两可的“乌云”

为了解决这个矛盾,人们给大冲击理论提供了两个可供选择的“补丁”:一种观点认为,在撞击后的短暂时期内,“案发现场”是一片漫布碎屑的混沌,这片混乱的尘埃云包裹了重伤的地球和所有被撞飞碎片。氧同位素作为挥发成分,可以在这片炽热的尘埃带之间自由迁移,令地月之间同位素配分比例大致相同。但是,这种解释对钛和钨这类重同位素就不太适用了,原因很简单:熔点极高的重金属并没有氧那么容易自由迁移。 另一种观点认为,忒伊亚的化学特征原本就跟地球高度相似。一来,反正谁也没见过45亿年前的忒伊亚到底长啥样,存在于模型之中的它,终归是个任人打扮的小姑娘;二来,按照模型假设,忒伊亚和地球孕育于同一个公转轨道。在太阳系尺度下,同一个公转轨道意味着原行星盘的分异特征基本相似。在聚合成原行星时,两者能形成相似的初始化学组成。 这个解释看似解决了终极问题,但发展至今的化学动力学发现,很多同位素在岩石系统中的配分行为并不仅仅由初始条件决定。天体形成之后具体而复杂的内动力地质作用,会导致某些同位素在天体之间产生巨大的差异。地球跟忒伊亚形成于同一个轨道,但之后呢?难道连两家的私事儿还得继续同步?动力学上已经限定忒伊亚的个头只能跟火星一般大,在巨大的质量差异面前,基本不可能指望它俩内部化学行为也高度相似。 尽管这些补丁并不能驱散围绕在大冲击理论周围的乌云,但这一理论依然闯过了30个年头。动力学上的独到优势,让它稳坐在解释地球早期演化史的宝座上。科学界崇尚“矛盾最少即最优”,冲击事件作为一种“最不坏的选择”,目前确实还没人能够挪得动。 既然挪不动,人们的重心就落在怎样让它更好上了。说到底,我们都坐在时光列车的末尾,而真相埋藏在早已驶出我们视野之外的头节车厢。我们唯一能做的,就是根据一声声的笛鸣,来刻画想象中的那个车头的样式。 这趟列车就这样驶入了2017年。开年第一站,一大群原行星走上了月台。

成群结队的原行星

带着这群原行星走上月台的,正是这个名叫“多重撞击”的新理论。在这个理论中,忒伊亚不复存在了,取而代之的是一群更小的原行星,每一颗的质量大概是地球的5-10%。某个时候,第一颗原行星迎面撞向了地球。这不是忒伊亚式的斜向45度角侧撞,而是一次酣畅淋漓的迎面撞击:原行星如弹头般扎进地幔深处,比起“擦了一下腰”的忒伊亚,这场撞击把更多的地球碎屑送上了太空。碎屑形成行星环,在不断的碰撞融合中,慢慢聚集成月球…… ……不,准确来说,是第一个月球。 因为又过了一段时间,第二颗原行星撞了过来。地球的地幔说不定还没愈合(谁知道呢),又被撞个稀巴烂。碎屑再一次溅射出去,再一次形成行星环,再一次聚集成一个月球。现在,地球上空有两个小月亮了。(姑且按天文学家命名的习惯,称之为“地卫一”和“地卫二”好了。) 由于之前两次撞击的初始动力学参数不可能完全一致,这俩个小月亮基本不可能恰好处于动力学平衡状态,再加上它们都要受到地球潮汐力的外推作用,“地卫一”和“地卫二”终归会在某一天相撞,在地球自家后院里,上演一次微缩版的“大冲击”。

注意啦,这不是土星,也不是木星,这是地球。图片来源:Rufu et al. 2017

多重撞击理论认为,这样的过程可能会重复数次,甚至超过20次之多。按这套理论,当时的地球会先有今日土星那样的光环,然后再有木星一家子那样大大小小的仆从一堆。是不是很有趣?然而有趣的星球终会相遇……哦,是被地球潮汐力外推的小月亮们终会相撞。在一系列碰撞中,只留下了一个最终产物,就是咱们今天能在头顶上看到的明月了。 比起忒伊亚式的孤星大冲击,这个更热闹的模型,据说能够解决我们上面所提到的那两朵乌云。首先是地球与月球的化学成分对比。鲁夫教授认为,在这种小型天体的迎面撞击下,抛溅物中大部分都是地球物质,这就解释了月球成分与地球成分的相似性,为模型中施撞天体自身的化学组成带来更多灵活调整的空间。而在动力学方面,在这种小天体频繁出现的事件里,既然有不少撞上了地球,那么必然会有更多与地球擦肩而过。这些过路小天体的存在,为地月系统的角动量调整,也同样释放了不少灵活调整的空间。 说白了,这套多重撞击模型,其实解放了只有一颗原行星(忒伊亚)撞击地球时,被束缚得死死的那些物理-化学参数。 那么跟忒伊亚的大冲击相比,多重撞击是不是更靠谱呢?坦白讲,没人能够评测。说到底,我们唯一确定的,就是实打实能够看到的月亮只有这么一个。真相只有它知道。在人们尚未在月球上取得进一步实际数据之前,争一争也好。说不定将来还会有月球成因的更多理论被人提出。毕竟时间最擅长的事儿,就是把真相冲刷出来。而在这之前,我们要做的,就是去拥抱更多的可能性。(编辑:Steed) 题图来源:Space.com

参考文献

  1. Rufu et al. 2017. A multiple-impact origin for the Moon. Nature Geoscience. 2017(10): 89-94
  2. Kelly Beatty, 2017. When and How Did the Moon Form? http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/

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