德国研究团队新研究：月球的形成

来源：牧夫天文

根据“大碰撞说”，数十亿年前，地球受到一个火星大小的天体忒伊亚（Theia）撞击而形成了月球，那时地球还只是一个岩浆球。这一撞击事件不仅形成了我们今天所知的地月系统，还使得地球核心区域分化为熔融的外核和固体的内核。

但是，关于这一影响的时间以及随后月球的形成用了多久一直存在争议。根据德国研究团队的一项新研究，月球是由岩浆海洋形成的，该岩浆海洋经过长达2亿年才凝固。这意味着月球大约在44.25亿年前形成，比之前认为的时间晚了1亿年。

德国宇航中心（DLR）的行星地球物理学家以及柏林工业大学和明斯特大学行星研究所的研究人员主导此项研究，并在《科学进展》期刊上发表了题为《年轻月球上的长寿命岩浆海洋》的论文。

大约四十五亿年前，当地球仍处于形成过程中时，太阳系是一个相当混乱的地方。当时，同样由原行星盘形成的微行星被抛出，并且偶尔会与行星碰撞。以地球为例，这类碰撞可以增加其质量并使其核心区域变得更热更密集。

随着时间的流逝，较重的元素沉入地球中心，形成了地核（铁镍核）。与此同时，越来越多的地幔融化形成了岩浆海洋。当忒伊亚（Theia）与地球相撞时，这片海洋深达数千公里，其中大部分被排入太空。之后，该物质部分被地球吸收，部分在其周围的轨道上聚结形成了月球。

如今，尽管大多数科学家认为月球就是这样形成的，但有关过程的细节和时间线尚存在分歧。正如DLR研究员、该研究的主要作者马克西姆·莫里斯（Maxime Maurice）所说：

“我们最新的建模结果表明，在太阳系于45.67亿年前诞生后的大约1.4亿年，年轻的地球受到了一颗原行星的撞击。根据我们的计算，这一碰撞发生在44.25亿年前（不确定性为前后2500万年），然后月球便诞生了。”

艺术家对大型天体与地球碰撞的描绘，这种碰撞导致了月球的形成。图片来源：莱斯大学

“大碰撞说”存在分歧的原因之一恰恰与该假说最初的灵感来源有关：月球岩石。基本上，在六次阿波罗任务和三个苏联月球着陆器带回地球的所有月球岩石中，没有一个能直接得出月球的年龄。最后，科学家们不得不依靠间接方法来得出月球年龄的估计。

此外，物质积聚所获得的能量还使得月球上形成了岩浆海洋，该岩浆海洋覆盖了整个月球表面，当时深达1000公里（620英里）以上。就像地球一样，这个岩浆海洋开始迅速冷却并结晶形成结壳，这具有隔离其下方岩浆并减慢冷却过程的作用。

直到现在，科学家们还无法确定岩浆海洋完全结晶所需的时间，这使得确定月球何时最初形成变得非常棘手。为了得出他们的估计，莫里斯和他的同事们使用了一种新的计算机模型，该模型综合考虑了岩浆凝固所涉及的过程，这与莫里斯在他的博士学位论文中所做的工作相似（尽管在博士论文中更详细）。

这包括计算月球地壳中富含镁和铁的硅酸盐矿物质（这些物质在岩浆凝固期间形成）的成分随时间变化的方式。他们发现的证据表明，随着凝固的进行，岩浆海洋中剩余物质的组成发生了巨大变化。

岩浆海洋和月球上的第一个岩石外壳。图片来源：NASA / GSFC

这一发现使研究团队能够将月球上不同类型岩石的形成与凝固过程中的某个阶段联系起来。最终，这使他们得出这样的结论：月球的岩浆海洋用了将近2亿年才完全凝固成月球的地壳。这与科学家先前的想法相矛盾，曾经科学家们认为这一过程仅用了3500万年的时间。

正如DLR研究员、该研究的合著者萨布丽娜·施温格（Sabrina Schwinger）总结的那样：

“通过将测得的月球岩石成分与根据模型预测得到的岩浆海洋成分进行比较，我们能够追溯到月球形成之初岩浆海洋的演变。”

最后，同样重要的是，这项研究的结果与之前使用铀铅法获得的月球年龄的估计值一致。根据铀衰变成铅的速率，科学家们发现地球的金属核大致在同一时间形成。因此，这项研究第一次将月球的年龄与地球形成末期发生的事件直接联系起来。

与往常一样，确定太阳系中一个天体的形成方式可以帮助解释另一个天体如何形成。当涉及到地月系统时，其中一个的起源与另一个的起源更是密不可分。