大碰撞說

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藝術家描繪的兩顆行星體碰撞。若地球大小和火星大小的天體發生類似這樣的碰撞,可能會形成月球。

大碰撞說月球形成的假說,大約在45億年前,地球的前身和一顆火星大小的天體發生撞擊,殘留的碎片形成了月球。這個造成碰撞的天體通常被稱為忒伊亞,它是希臘神話中的泰坦月宮女神的母親[1][2]

大碰撞說是目前最為流行的月球形成科學假說[3],支持的證據包括:地球的自轉和月球的軌道有著相同的方向[4],月球的樣本指出月球的表面一度曾經是熔融的,月球的核心相對來說是較小的,密度比地球為低,類似於其它恆星系統碰撞的證據 (即導致岩屑盤的結果),並且大碰撞說符合太陽系的形成的主流領導理論。

然而,即使是當前最佳的大碰撞說,也仍然存在著幾個問題。預期大碰撞的巨大能量會形成全球性的岩漿海洋,但是沒有證據顯示有使較重的物質沉入地球地函的行星分化。目前,沒有能完全自圓其說的模型,可以由大碰撞開始經由碎屑發展演化成為單一的月球。最後,月球和地球穩定同位素的比率是相同的,這意味兩者有著共同的起源[5]。其餘的問題還包括:當月球喪失它的揮發性元素;而金星,同樣經歷過大碰撞的過程,為何不能成為擁有衛星的宿主。

动画显示忒伊亚在地球的L5点形成,然后摇摆着进入碰撞轨道。该动画以一年为步进,使得地球位置不变。视角为从南极看去。

歷史上的模型[编辑]

在1898年,喬治·達爾文曾經倡議地球和月球曾經是一體的。達爾文的假說認為當地球還是熔融時,由於離心力的作用使月球像紡絲般地脫離了地球,這成為當時學術界的主流學說[6]。他應用牛頓力學,計算月球在過去是更緊密地靠著地球運轉,然後逐漸漂離地球。這種漂離目前已經由美國蘇聯,使用放置在月球上的雷射反射板得到證實。

不過,達爾文的計算不能解決为何月球始終以同一面朝向地球的問題。在1946年,哈佛大學Reginald Aldworth Daly挑戰達爾文的解釋,他假設月球的形成是經由撞擊而不是離心力造成的[7]。在1974年之前很少人注意到Daly提出的挑戰,直到在1975年威廉·肯尼斯·哈特曼 (William K. Hartmann) 和唐納德·達韋斯 (Donald R. Davis) 兩位博士在《伊卡路斯》 (Icarus,太陽系研究期刊) 上發表了衛星會議上的論文,這個想法才重新受到重視。他們的模型建議在行星形成期結束時,已經有幾個衛星大小的天體形成,它們可能會和行星碰撞或是被行星捕獲。他們提出這些天體之一可能會與地球相撞,改變了方向彈出,缺乏揮發性物質的塵埃可以結合起來形成月球。這種碰撞可以解釋月球獨特的地質和地球化學上的屬性[8]

加拿大的天文學家阿拉斯泰爾 G.W.卡梅倫和美國天文學家威廉 R.沃德也提出類似的學說,他們建議有一顆火星大小的天體和地球側面相撞擊造成月球的形成。他們假設,碰撞將使天體的矽酸鹽大部分被氣化,而金屬的核心不會氣化。因此,因碰撞而被氣化送入地球軌道的物質幾乎都是矽酸鹽類,導致月球在結合時缺乏鐵。揮發性更大的物質在碰撞之後可能會逃離太陽系,而矽酸鹽類則傾向於合併[9]

忒伊亞[编辑]

假設的原行星名稱取自神話的希臘大力神忒伊亞,她生下了塞勒涅 (Selene,月亮女神)。這個名稱最初是英國的地球化學家亞力克斯 N 哈利德在2000年提出的,並且已被科學界接受[1][10]。依據現行的行星形成理論,忒伊亞是一顆存在於45億年前的原行星,大小與火星相似。事實上,大碰撞說吸引人的重點是前後文適合所提到的地球形成:在其形成的過程,地球經歷了數十個這種大小原行星的碰撞。形成月球的碰撞只是諸多這種大碰撞中的一次,或許是最後的一次。

碰撞的基本模型[编辑]

天文學家認為地球與忒伊亞的碰撞發生在約45.3億年前,大約是太陽系開始形成後的3,000萬年至5,000萬年的時間。在天文學的術語中,這次撞擊的速度是溫和的,忒伊亞是以傾斜角撞擊地球,而當時的地球幾乎已經完全成形了。電腦模擬“後撞擊”的劇本建議撞擊的角度大約是45°,而初始撞擊的速度低於4公里/秒[11]。忒伊亞的鐵沉入了年輕地球的核心,同時忒伊亞的地函吸積到地球的地函,然而,來自地球和忒伊亞的地函有很大一部分被拋擲進入環繞地球的軌道。這些物質很快的合併形成月球 (可能不會少於一個月,但也不會超過一個世紀)。依據計算機模擬這類事件的建議,原始的忒伊亞物質大約有20%最終會成為在軌道中環繞的碎屑,而這些物質中的半數會合併形成月球。

地球會從這種撞擊獲得巨大的角動量質量。無論撞擊前地球的自轉速度和傾角是如何,撞擊後的地球經歷過一天只有五小時長,而且地球的赤道和月球軌道是共平面的時間[12]

不是環中所有的物質都一定會被沖走,月球背面的地殼較厚顯示直徑大約1,000公里的第二顆衛星形成於月球的拉格朗日點;經過數千萬年後,當這兩顆衛星從地球向外遷徙,太陽的潮汐力使得拉格朗日軌道不穩定,導致這顆小衛星以緩慢的速度撞擊到而平降到現在的月球背面[13][14]

餘波盪漾[编辑]

於2001年,華盛頓卡內基研究所的一個小組提出月球岩石同位素最精確的測量值報告[2]。令他們吃驚的是,這個團隊發現來自阿波羅採集到的岩石的同位素特徵與地球上的完全相同,而不同於來自於太陽系的所有其它物體。因為之前認為大部分進入軌道形成月球的物質是來自忒伊亞,所以這個觀測是出乎意料的。於2007年,來自加州技術研究所的人員發現忒伊亞與地球有著完全相同的同位素特徵的可能性非常小 (低於1%)[15]。取而代之的是,他們的建議對撞擊之後有著很大的影響,當時的地球和原始月球環都是熔融和氣化的,兩者所共通儲積的矽酸岩大氣層是相連通的,於是地球-月球系統透過流體持續的旺盛對流而成為均質的。這種撞擊後的地球和原始月球盤面之間的均衡是唯一能夠解釋為何地球內部的物質和阿波羅採集的月球岩石樣本之間的同位素是如此相似。不過這個方案如果可行,原始月球盤面必須存在大約100年的時間。測量的工作目前還在進行,以確定這是否可能。

碰撞的證據[编辑]

大碰撞的直接證據來自阿波羅計畫帶回來的月球岩石,其中的同位素比例與地球上的完全相同,這解釋了地球-月球系統在大碰撞之後,如同前面敘述的,經歷過湍流的混合。此外,月球地殼在高地的斜長岩組成,以及存在著豐富的克里普礦物樣本,引起了月球有很大的部分曾經是熔熔狀態的想法,而大碰撞的劇本很容易就能提供形成這種岩漿海所需要的能量來源。一些並型的證據顯示,如果月球有一個富含的核心,他必須是很小的。特別是,平均密度、轉動慣量、自轉特徵和磁感應的回應,所有的都建議核心的半徑小於月球半徑的25%,而對照之下大約半徑的50%是地殼。撞擊的條件可以導致形成月球的成分主要來自地球和撞擊體的地函,撞擊體的核心會與地球結合,而這滿足了地球-月球系統的角動量分配。[3]

溫暖富含矽的塵埃和豐富的氧化矽 (SiO) 氣體,在岩石之間產生高速度 (> 10 km/s) 撞擊的結果,已經在距離只有29秒差距,年輕 (大約1,200萬歲) 的繪架座β移動星團內的恆星HD 172555史匹哲太空望遠鏡觀測到[16]昴宿星團的年輕恆星HD 23514,也被觀測到距離恆星0.25AU和2AU之間有溫暖的塵埃帶,出現類似忒伊亞與胚胎地球的碰撞,並被解釋為行星大小物體互相碰撞的結果[17]。在BD +20°307 (HIP 8920, SAO 75016) 這顆恆星也檢測到另一個相似的溫暖塵埃帶環繞著該恆星[18]

困境[编辑]

這個月球起源的假設還有一些尚未完全解決的困難,例如,大碰撞說隱含著表面的岩漿海會在碰撞之後形成。然而,沒有任何證據顯示地球曾經有過這種岩漿海洋,並且存在一些從未經歷岩漿海過程的物質[19]

結構[编辑]

有一些成份上的不一致需要加以解決。

  • 大碰撞說不能解釋月球上揮發物質的比率。如果大碰撞說是正確的,它們必須有其他造成的原因[19]
  • 現存的揮發性物質,像是存在月球岩石玄武岩中的水,是大碰撞說很難解釋的。如果月球是經由大碰撞形成的,會引起災難性的加熱事件[20]
  • 月球的氧化鐵含量高達13%,這是介於火星的18%和地球地函的8%之間的數值,這違背了多數的原始月球物質是來自地球地函的規則[21]
  • 如果原始月球球體的物質來自大撞擊,月球物質的大部分應是親鐵元素,但事實上,在這部分是不足夠的[22]
  • 月球的氧同位素比率本直上是與地球相同的[2]。氧同位素的比率,可以非常精確的測量,在太陽系的每個天體都有獨特的特徵[23]。如果忒伊亞是曾經是一顆獨立的原行星,它可能會有和地球不一樣的氧同位素特徵,應該会在混核後的物質中呈現[24]
  • 月球的鈦同位素比率 (50Ti/47Ti) 和地球的非常接近 (在4 ppm以內),這使碰撞物體有任何物質成為月球一部分的比率變得非常的低 [25][26]

金星欠缺衛星[编辑]

如果地球的衛星是經由大碰撞形成的,其它的內側行星也可能經歷類似的碰撞。經由這過程形成環繞金星的衛星也不可能逃逸,所以需要解釋這顆行星為何沒有衛星。一種可能性是發生第二次的碰撞,逆轉了第一次撞擊的角動量[27]。另一種可能是來自太陽的強大潮汐力,破壞了靠近這一顆行星的衛星軌道。基於這些原因,如果金星緩慢的自轉速率肇始於它的早期歷史,則任何大小超過幾公里的衛星都有可能盤旋的落到這顆行星的表面上[28]

混沌期間類地行星形成的模擬顯示這些撞擊,例如月球形成的假設,是經常性的。典型的類地行星質量在0.5-1地球質量,這樣的撞擊通常可以形成單一的一顆質量是這顆行星質量4%左右的衛星。這顆衛星的傾角是隨機的,但是這個傾斜會影響到後續的動態演變。例如,一些軌道可能導致衛星螺旋的回到行星內。同樣的,行星與恆星的距離也會影響到軌道的演化。這些的淨效應更有可能影響由撞擊產生,但離類地行星更遠的衛星,並使它們的軌道與行星的軌道一致[29]

忒伊亞可能的來源[编辑]

從南極的方向觀看一種大撞擊可能的路徑。

在2004年,普林斯頓大學的數學家Edward Belbruno和天文物理學家J. Richard Gott III提出忒伊亞結合在相對於地球的L4或L5拉格朗日點 (在與地球相同軌道上的前方或後方60°的位置)[30][31],類似於一顆特洛伊小行星[4]。 二維的電腦模型顯示忒伊亞的特洛伊軌道在忒伊亞的質量累積到地球質量的10%時將會失去而不再穩定[30]。在這個方案中,由於微行星的引力攝動將使忒伊亞從它穩定的拉格朗日位置離開,並且隨後就和原始地球產生交互作用,導致這兩個天體的碰撞[30]

在2008年,出現了表明碰撞可能發生在45.3億年至44.8億年之間的證據[32]

有人建議在碰撞中可能還創造出了其它值得注意的天體,它們可能仍然被留置在地球和月球之間的拉格朗日點上。這種天體可能停留在地球-月球系統內一億年,直到其他的行星引力打破了這個系統的平衡,使它被釋成自由的天體[33]。在2011年發表的一項研究建議月球與這些較小天體之一隨後發生的碰撞造成月球兩個半球之間顯著的差異[34]。這些碰撞,模擬也支持,有著足夠低的速度,因此不會形成坑洞,換言之,來自這些小天體的物質會遍佈在月球上 (為甚麼會成為背面),為月球的高地增添厚厚的一層地殼[35]。質量不規則的結果隨後產生重力梯度,導致月球今日的潮汐鎖定,使得從地球上只能看見月球被稱為正面的這一面。

修正後的假說[编辑]

大碰撞的假說不能完美的解釋地球和月球在組成上的相似,特別是難以區別的氧同位素,古典的大碰撞假說不能做出解釋。根據對這一主題建立在新的模擬上,蘇黎世聯邦理工學院的物理學家Andreas Reufer和她同事們的研究,忒伊亞可以直接與地球面對面的碰撞,而不再是勉強的擦撞。碰撞的速度可能遠高於先前的估計,如此高的速度可以完全的摧毀掉忒伊亞。根據這樣的修改,忒伊亞的組成分不再受到任何的限制,即使有50%是水冰組成也有可能[36]

二擇一的假說[编辑]

在不同時間對月球起源建立的機制有月球是因為離心力從熔融的地球表面剝離[6];月球是來自其他地方,然後被地球引力場捕捉[37];或是地球和月球在相同的時間和地點從同一個吸積盤形成。這些假說沒有一個可以解釋地球-月球系統的高角動量[12]

一個假設歸咎於一個比以前所認為大得多的小行星在較晚的時間撞擊才形成了月球,而且主要創建月球的碎片都來自地球。在這個假說中,月球的形成發生在太陽系形成後6,000萬年至1億4,000萬年之間,認為月球的年齡在45.27億 ±1,000萬年間[38]。這個方案的撞擊有創建岩漿海洋,讓地球和原始月球這兩個天體可以分享共有的電漿金屬蒸氣。以共用金屬蒸氣為橋梁可以讓地球和原始月球的物質交流以達到成分的共享和平衡[39][40]

另一個假說是月球和地球是一起形成的,以取代和切割大碰撞說的建議。新的模型是Robin M. Canup開發的,認為月球和地球是兩顆有火星5倍大小的小行星大碰撞之後的產物,產生了兩顆大小相似的行星。這兩顆行星再碰撞,然後產生我們現在所謂的地球。再碰撞之後的地球被物質環包圍著,而這些物質組合起來形成我們的月球。先前的工作聚焦在月球受到另一個天體撞擊先形成盤面,然後形成我們的月球。這種想法滿足了需要,因為任何從地球從初始的撞擊遺留下的物質可以解釋月球和地球的相似性,但是這也意味著月球也有些物質來自撞擊體的地函,但是我們的月球沒有這些物質。這個由Canup開發的新假說,解釋了大撞擊說和其他假說不能達成的:這就是為甚麼地球和月球有如此相似的成份 [41]

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

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進階讀物[编辑]

學術論文
一般圖書
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外部鏈結[编辑]