“月球起源”又添新線索,這個神秘星球究竟來自哪?
來源:學術頭條
發布時間:2022-08-12
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月球是如何形成的?

當前最為主流的假說為“大碰撞假說”。

大約 45 億年前,一顆火星般大小的天體 Theia 撞擊了年輕的地球,將地球的一部分(主要是地幔)拋射入了宇宙中,從而產生了月球。

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圖|Theia 撞擊地球。(來源:維基百科)

此前支持“大碰撞假說”的證據,來自由阿波羅計劃(Project Apollo)帶回來的月球巖石,其所含的氧同位素組成比例與地球地幔幾乎完全一樣。

如今,科學家們又有了新線索,進一步支持了有關月球形成的“大碰撞假說”。

在一項最新研究中,蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)的地球化學家、宇宙化學家和巖石學家,在月球隕石中發現了來自地球地幔的稀有氣體(也稱惰性氣體)——氦(Helium)和氖(Neon)。

相關研究論文以“Indigenous noble gases in the Moon’s interior”為題,已發表在權威科學期刊《科學進展》(Science Advances)上。

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(來源:Science Advances)

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4 種假說

關于月球的起源,除了“大碰撞假說”之外,科學家們還先后提出了“捕獲假說”“同源假說”“分裂假說”,但都存在一定的理論缺陷。

在“捕獲假說”中,科學家們認為,月球是太陽系早期形成的眾多宇宙天體之一,它也像其他天體一樣漂浮在軌道上,直到有一天,由于被地球的引力吸引而脫離了原來的軌道,成為了地球唯一的天然衛星。

但是,要想這一假說成立,需要地球擁有一個有非常大的大氣層來消耗月球通過時的能量,以減緩月球運動速度。

而“同源假說”則講述了另一個不同的故事,即地球和月球形成于同一原生吸積盤。

但這一假說無法解釋月球上金屬鐵的匱乏,也不能解釋地月系統的高角動量。

“分裂假說”也存在一定的理論缺陷,該假說認為,地球由于自身的快速自轉而斷裂,破碎部分則變成了月球。

但是,要產生如此大的離心力,需要地球在誕生初始時就具有超高速的自轉。

而在“大碰撞假說”中,科學家們認為,在太陽系誕生的早期,巨大的撞擊是很常見的。由電腦模擬的大碰撞模型表明,這樣的撞擊后產生的雙星系統具有充分的角動量匹配目前地月系統的軌道參數,而且也可以解釋月球具有相對較小核心的原因。

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圖|關于“大碰撞假說”的簡易描述。(來源:維基百科)

此外,這一假說還可以合理解釋地月成分的不同:月球的大部分組成成分都來自撞擊前的天體,而并不是原生的地球。

但是,這個假說仍然不是很完善。例如,有關隕石的研究顯示,火星、灶神星等其他內太陽系天體的氧和鎢同位素成分與地球不同,而地球和月球卻有著非常相似的同位素成分。

一個合理的解釋是,導致地月系形成的撞擊混合了地球和月球形成時揮發的物質,有可能導致兩個天體之間同位素的組成變得均衡,但這種解釋也依然存在爭議。

盡管“大碰撞假說”不是很完美,但或許是當前有關月球形成的論據最充分的解釋,未來也需要更多的證據來支撐。

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新證據支持“大碰撞假說”

稀有氣體,是指在元素周期表中同屬第 18 族的元素。它們性質相似,在常溫常壓下都是無色無味的單原子氣體,很難進行化學反應。天然存在的稀有氣體共有 6 種,即氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)和氡(Rn)。

稀有氣體在工業方面主要應用為照明設備、焊接和太空探測等。例如,氬和氮的混合氣體是白熾燈中填充的保護氣;氪由于可以降低燈絲的蒸發率而常用于色溫和效率更高性能白熾燈;在放電燈中填充不同的稀有氣體,可以產生不同顏色的光,比如霓虹燈中常見的氖燈。

在此次工作中,研究團隊利用稀有氣體質譜儀,測量了隕石樣本中亞毫米級的玻璃顆粒(在玄武巖冷卻時形成),排除了太陽風作為探測到的氣體的來源。

論文的第一作者和通訊作者 Patrizia Will 分析了來自南極收集的 6 個月球隕石樣本,這些樣本是由 NASA 在南極洲的“冷沙漠”中采集的,其形成原因可以推測為:由于沒有大氣層的保護,月球表面不斷遭到小行星撞擊,一次高能撞擊使得巖石碎片從熔巖流的中間層噴出,最終以隕石的形式來到了地球。

這些隕石由玄武巖組成,玄武巖是月球內部巖漿涌出并迅速冷卻時形成的,由于在形成后被其他玄武巖層覆蓋,避免了來自宇宙射線尤其是太陽風的傷害。

結果顯示,玻璃顆粒保留了太陽氣體的化學指紋(同位素特征):月球內部的氦和氖,而且檢測到的氦和氖的含量比預期的要高得多。

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圖|交叉偏振光下的 LAP 02436 樣品薄片。(來源:蘇黎世聯邦理工學院)

這一發現有力地支持了月球“繼承”了地球天然存在的稀有氣體。“這是一個令人興奮的結果,而這些玄武巖材料與月球表面的任何暴露都無關?!?Will 說。

對此,論文作者之一、蘇黎世聯邦理工學院教授 Henner Busemann 表示:在未來的工作中,研究團隊繼續將在月球隕石中尋找其他稀有氣體,比如氙(Xenon)和氪(Krypton),以及其他揮發性元素,比如氫(Hydrogen)或鹵素(Halogen)。

“這一發現可能會幫助地球化學和地球物理學科學家創建新的模型,更普遍地展示這些最易揮發的元素是如何在我們的太陽系內/外的行星形成過程中幸存下來的?!?/p>

參考資料:

https://www.eurekalert.org/news-releases/961341

https://en.wikipedia.org/wiki/Giant-impact_hypothesis




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