大碰撞說

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更新時間: 2013-12-12

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大碰撞說是科學界主流的月球誕生理論,該理論認為月球是在地球被一顆像火星般大小的天體碰撞后才形成的,這個理論可以有效解釋為什麼地月很多相同的元素組成,但也存在質疑。

大碰撞說 -簡介
大碰撞說忒伊亞搖擺著進入碰撞軌道

大碰撞說是科學界最主流的月球誕生理論,認為月球是在地球被一顆像火星般大小的天體忒伊亞(Theia)碰撞后才形成的。這個假說最早於1975年發表在《伊卡路斯》(Icarus,太陽系研究期刊)期刊上,是威廉·肯尼斯·哈特曼(William K. Hartmann)和達韋斯(Donald R. Davis)兩位博士發表的文章。

大碰撞說 -提出
大碰撞說大碰撞說

1986年3月20日,在休士頓約翰遜空間中心召開的月亮和行星討論會上,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的本茲、斯萊特里和哈佛大學史密斯天體物理中心的卡梅倫共同提出了大碰撞假設。該假設認為,太陽系演化早期,在星際空間曾形成大量的「星子」,星子通過互相碰撞、吸積而長大。星子合併形成一個原始地球,同時也形成了一個相當於地球質量0.14倍的天體(被稱為忒亞,神話故事中月球女神塞勒涅的母親)。這兩個天體在各自演化過程中,分別形成了以鐵為主的金屬核和由硅酸鹽構成的幔和殼。由於這兩個天體相距不遠,因此相遇的機會就很大。一次偶然的機會,那個小的天體以每秒5千米左右的速度撞向地球。劇烈的碰撞不僅改變了地球的運動狀態,使地軸傾斜,而且還使那個小的天體被撞擊破裂,硅酸鹽殼和幔受熱蒸發,膨脹的氣體以及大的速度攜帶大量粉碎了的塵埃飛離地球。這些飛離地球的物質,主要有碰撞體的幔組成,也有少部分地球上的物質,比例大致為0.85:0.15。在撞擊體破裂時與幔分離的金屬核,因受膨脹飛離的氣體所阻而減速,大約在4小時內被吸積到地球上。飛離地球的氣體和塵埃,並沒有完全脫離地球的引力控制,他們通過相互吸積而結合起來,形成全部熔融的月球,或者是先形成幾個分離的小月球,在逐漸吸積形成一個部分熔融的大月球。

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大碰撞說 -證據
大碰撞說由南極觀察大碰撞發生示意圖。

撞擊的證據來自阿波羅計劃帶回來的月球岩石,其中所含的氧同位素組成比例與地球的地幔幾乎完全一樣。化學元素的檢查發現月球岩石几乎不含揮發性的元素和輕元素,因而被推斷是在極端高溫與異常的高熱下形成,使這些元素都氣化而逃逸了。放置在月球上的測震儀測出月球的鐵鎳核心,比其他形成理論(例如孿生說)預測的都要小。如此小的核心與大碰撞假說是吻合的,因為這個理論認為月球主要由地球被撞擊出的地幔和撞擊體的部分地幔組成的,其中並未包含撞擊體的核心。(撞擊體的核心下沉與地球的核心合併,成為現在的地球核心。)

這個產生月球的撞擊過程非常不可思議:一顆火星大小的天體以十分巧妙(恰恰好)的角度撞擊原始的地球,既避免將地球完全的毀滅,又能產生大小和軌道都適當的月球,使地球自轉軸的進動能夠穩定下來。同時,它也穩定了地球的氣候,使地球的環境更適合生命的發展。這種撞擊成型事件的偶發性,被用來解釋在宇宙中生命是非常罕見的(費米悖論):這種事件的罕見性說明同地球相似氣候的罕見性,進一步說明人類存在的罕見性。這種想法是另一個論述——地球殊異假說(Rare Earth hypothesis)的支柱。然而,在2004年發表的一篇論文中,Edward Belbruno和Richard Gott III認為在地球和太陽的拉格朗日點L4或L5上的天體會因為漂移而進入處於渾沌的碰撞軌道上,然後以適當的低速撞擊到地球。這種機制使得撞擊的可能性顯著的增加。

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坎諾普(Robin Canup)在2005年發表的模擬工作表明,冥王星和他的大衛星凱倫可能也是在45億年前相似的大撞擊下誕生的。坎諾普推測,其他直徑在1,600至2,000公里的柯伊伯帶天體以每秒鐘一公里的速度撞擊行星形成月球的事件,在太陽系形成的早期可能是很普遍的現象。

大碰撞說 -疑點
大碰撞說大碰撞說

即使是月球起源的主流理論,仍然有些難以解釋的事項。這些疑惑如下:

在月球地幔中的震波速度,在下層和中層都與熔化的上層一致。

月球的揮發性元素並未如大撞擊說預期的完全被耗盡。

沒有證據證明地球曾有過岩漿的海洋。(大碰撞假說的一個可能的結果)

由月球和地球的鎢與鉛的同位素結構測量,撞擊前的地球只需要有現在地球質量一半左右的大小,就能合理的分配角動量,得到與現在測量值一致的結果。在月海的玄武岩中異源同位素的丰度排除了早期的岩漿海有強烈的對流的可能性。

氧化鐵(FeO)在整體月球的物質中含量高達13%,排除了原始月球全由地球的地幔生成的可能,因為其在地幔中占的比例遠低於此。

如果原始月球的材料大多來自撞擊體,月球應該有更豐富的親鐵元素,但實際上卻缺少這些元素。

大碰撞說 -相關可能的月球成因
大碰撞說大碰撞說

分裂說:認為月球是由於離心力從地殼分裂出去,但要產生如此大的離心力,需要地球在誕生初始時有超高速的自轉。

捕獲說:則認為月球是在成型時被地球引力場捕獲的天體,但這種假說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,減緩月球運動速度。

同源說:認為地球和月球形成於同一原生吸積盤,但這種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。

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