北京時(shí)間 7 月 22 日消息，據國外媒體報道，半個(gè)多世紀以來(lái)，月球一直在“嘲笑著(zhù)”科學(xué)界最優(yōu)秀的頭腦，對行星科學(xué)家埃里克·阿斯普豪格(Erik Asphaug)來(lái)說(shuō)，他已經(jīng)“受夠了”。

　　在阿斯普豪格出生三年前的 1959 年 10 月 7 日，蘇聯(lián)的“月球 3 號”(Luna 3)探測器飛過(guò)月球背面，拍下了一系列有顆粒感但特征明顯的照片，并用無(wú)線(xiàn)電將它們傳回地球。由于月球的自轉與其公轉完全同步，因此一個(gè)半球總是指向地球，而另一個(gè)半球總是無(wú)法看見(jiàn)。在月球 3 號首次拍攝到的月球背面圖像中，可以看到一大片高低不平的淡灰色高地，這與月球另一面那些引人遐想的明暗區域完全不同，不是行星科學(xué)家的普通人也能看出這種奇怪的差異，“我記得當我還是小孩的時(shí)候，看到一個(gè)新聞節目展示了月球的遠端，我覺(jué)得難以置信，一顆行星的兩端居然會(huì )如此不同，”阿斯普豪格說(shuō)。

　　2010 年，已經(jīng)是加州大學(xué)圣克魯斯分校地球和行星科學(xué)教授的阿斯普豪格參加了一個(gè)研討會(huì )，此時(shí)他仍然在等待對月球強烈不對稱(chēng)現象的解釋。當同事伊恩·加里克-貝瑟爾陳述他提出的答案時(shí)，他一邊聽(tīng)著(zhù)，一邊越來(lái)越坐立不安。在這一最新的理論中，數十億年前，地球的引力在月球上引發(fā)了強大的潮汐，而當時(shí)月球還很年輕，處于熔融狀態(tài)。潮汐導致的隆起隨后凍結在原地，形成了更厚的地殼和月球背面獨特的地質(zhì)構造。阿斯普豪格現在覺(jué)得這個(gè)觀(guān)點(diǎn)其實(shí)講不通，他表示，就像地球上漲潮時(shí)一樣，在遠端和近端都會(huì )出現隆起，但這個(gè)理論只提到了遠端的隆起，“所以答案一定是發(fā)生了奇跡，把另一面的隆起消除了，這使得問(wèn)題比以前更加復雜。”

　　在感到惱火的同時(shí)，阿斯普豪格也受到了啟發(fā)。多年來(lái)，他一直致力于建立早期太陽(yáng)系低速撞擊的模型。“人們一直有偏見(jiàn)，在關(guān)注撞擊時(shí)只考慮超高速事件，”他說(shuō)，“人們忘記了物體可以以較低的速度撞擊。”這類(lèi)事件是建設性的，而不是破壞性的：如果兩個(gè)物體碰撞得足夠慢，它們就會(huì )碰撞并粘在一起，“就像往房子的墻上扔泥巴，或者互相扔雪球”。阿斯普豪格一直認為這種低速撞擊可以解釋彗星的形成，突然間，他意識到自己可能找到了解答月球問(wèn)題的答案，他找來(lái)博士后研究者馬丁·朱茲，闡述了自己的想法。如果地球最初有兩個(gè)月亮，只是后來(lái)合并成了我們現在所知道的這個(gè)月亮，那意味著(zhù)什么?

　　“那次研討會(huì )一結束，我們就去了實(shí)驗室，馬丁給受到另一個(gè)月亮撞擊的月球進(jìn)行了編碼，”阿斯普豪格說(shuō)道。這些計算的結果是為月球的不對稱(chēng)性提供了新的解釋。在阿斯普豪格看來(lái)，雜亂的月球高地是另一顆地球衛星的殘骸，它曾經(jīng)環(huán)繞地球，最終附著(zhù)在月球表面。難怪地球的另一邊看起來(lái)就像是另一個(gè)完全不同的世界。新模型提供了對月球古代起源和現代外觀(guān)的綜合描述，但對阿斯普豪格來(lái)說(shuō)，這個(gè)概念不止于此;它展示了行星形成過(guò)程中一個(gè)更廣泛、但在很大程度上被忽視的過(guò)程：兩個(gè)天體的“溫柔”碰撞。

　　月球裂變說(shuō)和大碰撞說(shuō)

　　圖說(shuō)：月球是如何形成的：模擬的原始月球和另一顆地球衛星之間的碰撞顯示，碰撞后二者質(zhì)量嵌合在一起，產(chǎn)生了不對稱(chēng)的半球。淺藍色表示月球地殼、深藍色為月球地幔，黃色為一層上地幔物質(zhì)，代表了熔巖組成的“海洋”。另一顆衛星的大部分都以薄層堆積起來(lái)，形成了類(lèi)似月球背面高地的山區。

　　和大多數科學(xué)理論一樣，阿斯普豪格的大碰撞模型也是建立在先前研究的基礎之上。事實(shí)上，關(guān)于月球起源的第一個(gè)真正科學(xué)的描述也是圍繞兩個(gè)星球之間的相互作用展開(kāi)的，但它設想的是分離而非連結。1878 年，查爾斯·達爾文的兒子喬治·達爾文提出，月球是從快速旋轉的新生地球上拋出的，就像一個(gè)任性的孩子從旋轉木馬上摔下來(lái)一樣。他推測，地球上缺失的那塊區域應該就是太平洋盆地。

　　這個(gè)“月球裂變”說(shuō)存在了很長(cháng)時(shí)間，在阿波羅登月之前都很流行。但從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，這種說(shuō)法是不成立的。沒(méi)有一種合理的方法能讓地球旋轉得足夠快，以至于甩掉部分地表;即使有，也沒(méi)有辦法吸收足夠的角動(dòng)量來(lái)匹配地球和月球目前的物理狀態(tài)。至于太平洋，則只是一個(gè)暫時(shí)性的特征，只與大陸的現代排列有關(guān)，大約 44 億年前，當月球形成時(shí)，太平洋還不存在(當然，喬治·達爾文的理論比板塊構造的概念早了近 90 年)。

　　其他關(guān)于月球起源的故事接踵而至，每一個(gè)故事都假定了地球和月球之間不同的關(guān)系，但又都有其致命的缺陷。美國天文學(xué)家湯瑪斯·杰弗遜·杰克遜·希提出，月球是作為一顆獨立的行星形成的，然后被地球捕獲進(jìn)入軌道，該理論的缺點(diǎn)是，地球的引力還不夠強大，不足以設下陷阱。其他一些研究人員，如法國數學(xué)家愛(ài)德華·羅奇認為，在太陽(yáng)系早期，月球和地球是接合在一起的，該理論的缺點(diǎn)是，當地球化學(xué)家研究阿波羅宇航員帶回的 382 公斤重的月巖時(shí)，他們發(fā)現月球的整體成分與地球不同，缺少容易蒸發(fā)的化合物，即揮發(fā)物，曾經(jīng)并合的世界應該更加接近才對。

　　然而，在許多其他方面，月球的化學(xué)成分又與地球非常相似。月球巖石中兩種不同類(lèi)型氧元素的比例與地球巖石幾乎完全吻合。氧元素的比例就像一個(gè)身份標簽，能告訴你某個(gè)物體是在哪里形成的。隕石有自己的比例，火星也有自己的比例，而從氧元素比例上看，月球就像是地球的孿生兄弟，因此可以說(shuō)，月球和地球一點(diǎn)也不像，但是又像極了地球，另一方面，月球兩端的不對稱(chēng)是又一個(gè)亟待解釋的微妙問(wèn)題。

　　行星科學(xué)家分析了所有錯綜復雜的證據，在 1975 年發(fā)表的兩篇開(kāi)創(chuàng )性論文的啟發(fā)下，形成了一種新的月球起源理論——大碰撞說(shuō)(Giant Impact theory)。在這個(gè)模型中，地球誕生時(shí)并沒(méi)有月球，地球在形成后不久，就與一個(gè)火星大小的天體猛烈碰撞，這個(gè)天體通常被稱(chēng)為忒伊亞(Theia，希臘神話(huà)中月亮女神塞勒涅的母親)。撞擊使忒伊亞和地球外層的大部分一起蒸發(fā)，一些物質(zhì)被拋到太空深處，但大部分物質(zhì)在“受傷”的地球周?chē)纬闪艘粋€(gè)圓盤(pán)。在很短的時(shí)間內(也許只有十年)，這圈環(huán)繞地球軌道的物質(zhì)凝結成了月球。

　　大碰撞說(shuō)輕松地解釋了地-月系統的大部分化學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，盡管仍然存在不確定性，但該理論幾乎被普遍認為是對月球起源的最佳解釋?zhuān)?，大碰撞說(shuō)并沒(méi)有回答擺在我們面前的一個(gè)無(wú)法忽視的重大問(wèn)題：為什么月球會(huì )呈現今天這個(gè)樣子?

　　月球的不對稱(chēng)性

　　我們眼中月球表面的陰暗部分其實(shí)是由凍結熔巖組成的巨大平原，稱(chēng)為“瑪麗亞”(maria，拉丁文中的“海”，17 世紀的天文學(xué)家伽利略以此來(lái)稱(chēng)呼月表的低地)，由于某種原因，幾乎所有的瑪麗亞地形都在月球近地一端，更普遍地說(shuō)，早期月球在面對地球的半球上的火山活動(dòng)要活躍得多。美國國家航空航天局的“重力回溯及內部結構實(shí)驗室”(Gravity Recovery and Interior Laboratory，簡(jiǎn)稱(chēng) GRAIL)任務(wù)測量了月球地殼，證實(shí)月球背對地球的一側更厚;該任務(wù)還發(fā)現，月球近地(而且只有近地)半球存在一個(gè)由長(cháng)線(xiàn)狀埋藏特征組成的網(wǎng)絡(luò )，行星地質(zhì)學(xué)家將其解釋為火山巖脈，答案似乎顯而易見(jiàn)，所有這些不平衡都是地球引力造成的，但在物理上沒(méi)有可信的方法來(lái)證明這種聯(lián)系。

　　長(cháng)期以來(lái)，人們一直試圖解釋這種不對稱(chēng)性。不斷有想法被提出，在討論一段時(shí)間之后，結果往往不令人滿(mǎn)意，更常見(jiàn)的情況是，人們完全將這個(gè)問(wèn)題拋到一邊。2013 年秋天，加州理工學(xué)院的戴維·史蒂文森在英國皇家學(xué)會(huì )聯(lián)合主辦了一場(chǎng)關(guān)于月球如何形成的大型會(huì )議，他對許多同事對這一問(wèn)題的回避感到好笑，“房間里有一頭大象，但人們似乎忽視了它，反而看著(zhù)角落里的那只貓”。

　　在很多方面，阿斯普豪格的新模型是對月球形成的主流觀(guān)點(diǎn)的有機延伸——事實(shí)上，是對當前關(guān)于行星如何形成的整個(gè)思考的有機延伸。新生的太陽(yáng)系從 45 億年前開(kāi)始，從塵埃到巖石，從小行星到行星，都在一個(gè)圍繞新生太陽(yáng)旋轉的圓盤(pán)內逐漸形成，從對隕石的分析，到對其他新生恒星周?chē)?lèi)似圓盤(pán)的觀(guān)察，結果都很好地證明了這一點(diǎn)。當行星聚集在一起時(shí)，越來(lái)越大的物體不得不相互撞擊，阿斯普豪格指出，其中一些碰撞必須足夠輕微，才能讓兩個(gè)天體粘在一起，形成一個(gè)更大的天體，否則，行星就會(huì )停止生長(cháng)，我們的太陽(yáng)系就會(huì )變成一片破碎的廢墟。

　　阿斯普豪格的職業(yè)生涯一直在探索這種碰撞過(guò)程的微妙之處，多年來(lái)，他對主流的大碰撞模型做出了重大貢獻，幫助改進(jìn)了忒伊亞作為一個(gè)火星大小的闖入者與地球撞擊的過(guò)程，他說(shuō)，在這個(gè)過(guò)程中，“我意識到，吸積并不完美，而且很復雜”，他開(kāi)始對他所謂的“近乎吸積”(almost-accretion)事件——即兩顆行星不完全碰撞的事件——感興趣;認為這次巨大的撞擊只是一系列可能發(fā)生的碰撞中的一個(gè)例子，最終這兩顆行星都完好無(wú)損地存活了下來(lái)。

　　“在到達行星科學(xué)知識的極限之前，你需要做的事情是多么少，它不像物理學(xué)，你必須梳理 400 年的歷史才能找到一個(gè)新穎的、尚未解決的問(wèn)題，”阿斯普豪格說(shuō)，“在行星科學(xué)中，有很多基本問(wèn)題都沒(méi)有好的答案。你開(kāi)始說(shuō)，‘你是這么想的?真的嗎?好吧，我也有個(gè)想法。’”

　　兩個(gè)月亮?

　　在會(huì )議室里的頓悟讓阿斯普豪格想到了大碰撞之后發(fā)生了什么。行星科學(xué)家通常認為碰撞之后只出現了一顆衛星，但這并不是唯一的可能性，阿斯普豪格認為出現兩顆衛星的觀(guān)點(diǎn)與他為彗星建立的計算機模型完全吻合。“我們存在分歧。這像是某種巧合”。

　　哈佛大學(xué)的天文學(xué)家馬提亞·庫克(Matija Cuk)已經(jīng)推測出第二個(gè)月亮可能來(lái)自哪里。他指出，當大碰撞產(chǎn)生一個(gè)巨大的、圍繞地球旋轉的氣化巖石環(huán)時(shí)，在同一軌道上有兩個(gè)穩定點(diǎn)，分別位于月球前方 60 度和后方 60 度，這些穩定點(diǎn)就像引力潮汐池，平靜的地方可能會(huì )形成第二個(gè)較小的天體。庫克沒(méi)有給這顆衛星起名字，但是為了表述清楚起見(jiàn)，這里將它命名為恩底彌翁(Endymion)，以希臘神話(huà)中月之女神塞勒涅的情人命名。

　　起初，月球和恩底彌翁和平共處，但隨著(zhù)時(shí)間的推移，事情發(fā)生了變化。引力的相互作用導致主月球螺旋形遠離地球，改變了整個(gè)系統的動(dòng)力學(xué)，恩底彌翁的位置不再穩定，最終倒在了“愛(ài)人”的懷里，庫克認為，恩底彌翁最終分裂，像小行星雨一樣落在月球上，阿斯普豪格看到的另一種完全不同的可能性。

　　當物體在同一軌道上運行時(shí)，它們相互撞擊的速度非常慢，大約相當于物體下落的速度，因此不會(huì )造成沖擊或形成大量熔融物，與其說(shuō)這是一次巨大的撞擊，不如說(shuō)這是一次宇宙滑坡。這應該是你能想象到的最大的滑坡之一。在后期階段，恩底彌翁的殘骸將以每秒數百米的速度下落，這一速度僅是最初導致這一過(guò)程發(fā)生的巨大撞擊速度的百分之一。

　　如果你計算一下，你會(huì )發(fā)現撞擊的地方會(huì )有一個(gè)隆起;這是一種由密度稍低的物質(zhì)構成的增厚地殼，在阿斯普豪格的模型中，隆起的形狀與月球遠端地殼的實(shí)際形狀相吻合，他估計，恩底彌翁需要大約 1000 公里的寬度才能解釋額外的地殼質(zhì)量;這是一個(gè)合理的大小，大約是現代月球直徑的四分之一，這樣一個(gè)小天體會(huì )在 1 億年內冷卻成固體巖石，這個(gè)年齡也大約是恩底彌翁變得不穩定的時(shí)期，當它碎裂后落在月球表面時(shí)，就會(huì )形成一個(gè)半球形的碎石場(chǎng)，正好可以解釋月球遠端較厚的地殼。

　　大碰撞還有其他有趣的結果。所有落在月球一個(gè)半球上的巖石重量會(huì )壓縮富含放射性元素的熔融物質(zhì)，迫使其向另一個(gè)半球移動(dòng)，因此它不僅造成了地殼不對稱(chēng)，還造成了熱不對稱(chēng)。月球一側的熱量集中也可能導致它的膨脹，形成 GRAIL 探測器看到的巖脈，于是，月球遠端的厚地殼，近端的火山活動(dòng)，以及神秘的月球巖脈，都可以用一次性解釋清楚。

　　阿斯普豪格不太相信大碰撞能完全解釋月球驚人的不對稱(chēng)性——陰暗部分集中在月球的近側，他承認這有點(diǎn)牽強，因為形成月球瑪麗亞地形的熔巖流爆發(fā)時(shí)間要晚得多，大約在月球形成 10 億年之后，但是，通過(guò)解釋月球遠端的地殼更厚，近端的內熱更大，他的模型至少為分析熔巖在兩個(gè)半球的分布不均建立了合適的條件。

　　阿斯普豪格的觀(guān)點(diǎn)很有說(shuō)服力。雖然大碰撞不能解釋月球所有異常的不平衡現象，但確實(shí)解釋了其中的大部分，不過(guò)，阿斯普豪格的觀(guān)點(diǎn)迄今得到的反應并不熱烈，不是一個(gè)月亮，而是兩個(gè)?天體的撞擊會(huì )導致滑坡而不是災難?

　　普渡大學(xué)資深行星科學(xué)家、GRAIL 團隊成員杰伊·梅洛什提出了一個(gè)問(wèn)題，即月球地殼的密度在近端和遠端是一樣的，這如何解釋?恩底彌翁的密度很可能與月球表面的密度相同，但缺乏多樣性“至少讓阿斯普豪格的大碰撞模型更難維持”。像庫克這樣的動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家更支持這個(gè)模型。然而，主要的批評并不是沒(méi)有任何證據來(lái)反駁大碰撞說(shuō)——實(shí)際上確實(shí)沒(méi)有——而是沒(méi)有足夠的證據來(lái)支持它。

　　阿斯普豪格對此感同身受。“可以說(shuō)我們的假說(shuō)能解釋很多事情，但相對來(lái)說(shuō)，這是無(wú)法檢驗的，”他說(shuō)，“我們現在急需數據。”一個(gè)方法是在月球上建立地震臺網(wǎng)，這樣就有可能閱讀由月球內部結構記錄的完整歷史。無(wú)論大碰撞(如果發(fā)生過(guò)的話(huà))期間以及碰撞之后發(fā)生了什么，一定會(huì )在月球內部留下了深刻的印記。美國國家航空航天局發(fā)射的洞察號(InSight)探測器于 2018 年降落在火星，這是一個(gè)為火星建立的高精度地震觀(guān)測站，然而，每一個(gè)向月球發(fā)射類(lèi)似任務(wù)的提議都被否決了。

　　幸運的是，行星科學(xué)家還有另一些方法——一整套方法——來(lái)測試阿斯普豪格的模型，并了解行星和衛星如何形成和演化，“近乎吸積”事件的證據可能就在我們周?chē)?。彗星可以保存古老的碰撞事件遺跡。冥王星和它的大型衛星卡戎(Charon)很可能就是在一次大型撞擊中形成的，類(lèi)似于形成月球的那次碰撞，新視野號飛船在 2015 年近距離飛掠了冥王星，火星具有獨特的南北不對稱(chēng)，洞察號探測器的工作將有助于調查火星是否也受到了撞擊。

　　土星復雜的衛星系統可能是多重撞擊和合并的結果，水星在形成過(guò)程中曾遭受過(guò)一次或多次撞擊，這解釋了金星富含鐵的高密度結構，以及它炙熱的地殼中不太可能存在水的原因。

　　月球帶給人類(lèi)的終極啟發(fā)是，行星的形成既草率又富有創(chuàng )造性，而且千差萬(wàn)別，而有了現代計算機代碼，我們可以探索非常大的參數空間，這其中樂(lè )趣無(wú)窮。
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