计算机建模“更新”月球大撞击成因假说

◎平劲松 李文潇

月球是地球的唯一卫星。探索和研究月球起源与演化，有助于了解太阳星云的成分、分馏、凝聚与吸积过程，以及类地行星的形成与演化过程，进一步揭示地月系统的形成与演化。

(相关资料图)

关于月球的起源与演化这一基本问题，一个多世纪以来出现过多种假说。目前而言，比较普遍的月球起源假说包括分裂说、同源说、捕获说和大撞击成因假说。

根据一项最新研究成果，科学家利用超级计算机进行模拟，“更新”了人们对月球大撞击成因假说的认识。

四大假说“淘汰”仨

分裂说认为地球早期呈熔融态，自转速度飞快且不稳定，一部分熔融物质在地球高速自转的情况下被甩了出去，重新凝聚、冷凝后形成月球；同源说认为月球与地球是“姐妹”关系，二者在太阳星云凝聚过程中同时诞生、形成；捕获说认为月球在飞过地球附近时被地球引力捕获，成为一颗绕地运行的卫星，二者最初的形成来自不同星云团的物质。

多年研究表明，月球缺水、富含难熔元素、匮乏挥发性元素和亲铁元素等，与地球的平均成分差异很大。这些特征使得分裂说、同源说、捕获说被大多数科学家所摒弃，大撞击成因假说成了“最大赢家”。

大撞击成因假说认为，原始地球在诞生后极早期受到一个被科学家命名为忒伊亚的火星大小的天体撞击，撞击碎片没有落回地球的部分最终形成了月球，留在原始地球上的部分形成了后来的地球。月球和地球都混合了来自原始地球和撞击天体的物质。

根据一项基于超级计算机模拟的最新研究结果，那次撞击后碎片四处飞散，而其中最大的一个，慢慢汇聚周围被撞击出去的碎片，远比预想中更迅速地形成了今日能够看到的月球。

最新研究“演绎”大碰撞过程

英国杜伦大学的研究团队利用一个名为“宇宙学机器”的系统，对数百次角度、旋转方式及速度各异的地球—忒伊亚撞击事件进行模拟，成功地以前所未有的分辨率为这次天体大碰撞的后果建模。新的结果完全颠覆了经典的大撞击成因假说概念。

根据此次最新研究，原始地球和撞击它的忒伊亚相距不远，都处在大致相同的绕太阳飞行轨道区域；它们在各自演化的过程中分别形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐构成的幔和壳。一次偶然的机会，忒伊亚以每秒5千米左右的速度撞向地球，这个速度与早先科学家假设的高速碰撞速度相比要低得多。剧烈的碰撞不仅改变了地球的运动状态，使地轴倾斜，而且还使忒伊亚破裂，硅酸盐壳和幔受热蒸发，膨胀的气体以极大的速度携带大量粉碎了的尘埃飞离地球。在忒伊亚破裂时与幔分离的金属核，因受膨胀飞离的气体所阻而减速，大约在4小时内被吸积到地球上。

此外，飞离地球的气体和尘埃，也并没有完全脱离地球的引力控制，也于4个小时左右，在距离地球几万公里的地方通过相互吸积而结合起来，形成了全部熔融的月球。这个形成时间，比之前科学家们给出的数百到上千年的形成过程要短得多。

脱离地球的物质被甩出去后，由于处于幔壳岩石内亲岩石的放射性物质核反应高发状态，放射持续进行，物质继续呈现沸腾状。因此，月球形成之初仍然是个炽热、滚烫的流体状球体。最新研究表明，月壳的分异发生在45.1亿年之前。这就意味着月球的形成发生在太阳系诞生之后的6千万年以内，而不是一亿年之后。在这数十亿年中，月球在逐渐远离地球，来到距离地球平均约38万公里的地方，而且测量表明月球每年仍然以3.8厘米的速度远离地球。

需要指出的是，月表的环形山并不都是陨石撞击造成的。月表的环形山主要是由于月球物质沸腾后冷却形成的，部分是由于坍缩形成的，部分是由于较轻的物质外溢（包括但不仅限于气体）形成的，部分来源于地球的陨石撞击。

（作者单位：中国科学院国家天文台）

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