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月球是如何形成的？

當(dāng)前最為主流的假說為“大碰撞假說”。

大約 45 億年前，一顆火星般大小的天體 Theia 撞擊了年輕的地球，將地球的一部分（主要是地幔）拋射入了宇宙中，從而產(chǎn)生了月球。

圖｜Theia 撞擊地球。（來源：維基百科）

此前支持“大碰撞假說”的證據(jù)，來自由阿波羅計劃（Project Apollo）帶回來的月球巖石，其所含的氧同位素組成比例與地球地幔幾乎完全一樣。

如今，科學(xué)家們又有了新線索，進(jìn)一步支持了有關(guān)月球形成的“大碰撞假說”。

在一項最新研究中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的地球化學(xué)家、宇宙化學(xué)家和巖石學(xué)家，在月球隕石中發(fā)現(xiàn)了來自地球地幔的稀有氣體（也稱惰性氣體）——氦（Helium）和氖（Neon）。

相關(guān)研究論文以“Indigenous noble gases in the Moon’s interior”為題，已發(fā)表在權(quán)威科學(xué)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

（來源：Science Advances）

4 種假說

關(guān)于月球的起源，除了“大碰撞假說”之外，科學(xué)家們還先后提出了“捕獲假說”“同源假說”“分裂假說”，但都存在一定的理論缺陷。

在“捕獲假說”中，科學(xué)家們認(rèn)為，月球是太陽系早期形成的眾多宇宙天體之一，它也像其他天體一樣漂浮在軌道上，直到有一天，由于被地球的引力吸引而脫離了原來的軌道，成為了地球唯一的天然衛(wèi)星。

但是，要想這一假說成立，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，以減緩月球運(yùn)動速度。

而“同源假說”則講述了另一個不同的故事，即地球和月球形成于同一原生吸積盤。

但這一假說無法解釋月球上金屬鐵的匱乏，也不能解釋地月系統(tǒng)的高角動量。

“分裂假說”也存在一定的理論缺陷，該假說認(rèn)為，地球由于自身的快速自轉(zhuǎn)而斷裂，破碎部分則變成了月球。

但是，要產(chǎn)生如此大的離心力，需要地球在誕生初始時就具有超高速的自轉(zhuǎn)。

而在“大碰撞假說”中，科學(xué)家們認(rèn)為，在太陽系誕生的早期，巨大的撞擊是很常見的。由電腦模擬的大碰撞模型表明，這樣的撞擊后產(chǎn)生的雙星系統(tǒng)具有充分的角動量匹配目前地月系統(tǒng)的軌道參數(shù)，而且也可以解釋月球具有相對較小核心的原因。

圖｜關(guān)于“大碰撞假說”的簡易描述。（來源：維基百科）

此外，這一假說還可以合理解釋地月成分的不同：月球的大部分組成成分都來自撞擊前的天體，而并不是原生的地球。

但是，這個假說仍然不是很完善。例如，有關(guān)隕石的研究顯示，火星、灶神星等其他內(nèi)太陽系天體的氧和鎢同位素成分與地球不同，而地球和月球卻有著非常相似的同位素成分。

一個合理的解釋是，導(dǎo)致地月系形成的撞擊混合了地球和月球形成時揮發(fā)的物質(zhì)，有可能導(dǎo)致兩個天體之間同位素的組成變得均衡，但這種解釋也依然存在爭議。

盡管“大碰撞假說”不是很完美，但或許是當(dāng)前有關(guān)月球形成的論據(jù)最充分的解釋，未來也需要更多的證據(jù)來支撐。

新證據(jù)支持“大碰撞假說”

稀有氣體，是指在元素周期表中同屬第 18 族的元素。它們性質(zhì)相似，在常溫常壓下都是無色無味的單原子氣體，很難進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。天然存在的稀有氣體共有 6 種，即氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和氡（Rn）。

稀有氣體在工業(yè)方面主要應(yīng)用為照明設(shè)備、焊接和太空探測等。例如，氬和氮的混合氣體是白熾燈中填充的保護(hù)氣；氪由于可以降低燈絲的蒸發(fā)率而常用于色溫和效率更高性能白熾燈；在放電燈中填充不同的稀有氣體，可以產(chǎn)生不同顏色的光，比如霓虹燈中常見的氖燈。

在此次工作中，研究團(tuán)隊利用稀有氣體質(zhì)譜儀，測量了隕石樣本中亞毫米級的玻璃顆粒（在玄武巖冷卻時形成），排除了太陽風(fēng)作為探測到的氣體的來源。

論文的第一作者和通訊作者 Patrizia Will 分析了來自南極收集的 6 個月球隕石樣本，這些樣本是由 NASA 在南極洲的“冷沙漠”中采集的，其形成原因可以推測為：由于沒有大氣層的保護(hù)，月球表面不斷遭到小行星撞擊，一次高能撞擊使得巖石碎片從熔巖流的中間層噴出，最終以隕石的形式來到了地球。

這些隕石由玄武巖組成，玄武巖是月球內(nèi)部巖漿涌出并迅速冷卻時形成的，由于在形成后被其他玄武巖層覆蓋，避免了來自宇宙射線尤其是太陽風(fēng)的傷害。

結(jié)果顯示，玻璃顆粒保留了太陽氣體的化學(xué)指紋（同位素特征）：月球內(nèi)部的氦和氖，而且檢測到的氦和氖的含量比預(yù)期的要高得多。

圖｜交叉偏振光下的 LAP 02436 樣品薄片。（來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

這一發(fā)現(xiàn)有力地支持了月球“繼承”了地球天然存在的稀有氣體。“這是一個令人興奮的結(jié)果，而這些玄武巖材料與月球表面的任何暴露都無關(guān)?！?Will 說。

對此，論文作者之一、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授 Henner Busemann 表示：在未來的工作中，研究團(tuán)隊繼續(xù)將在月球隕石中尋找其他稀有氣體，比如氙（Xenon）和氪（Krypton），以及其他揮發(fā)性元素，比如氫（Hydrogen）或鹵素（Halogen）。

“這一發(fā)現(xiàn)可能會幫助地球化學(xué)和地球物理學(xué)科學(xué)家創(chuàng)建新的模型，更普遍地展示這些最易揮發(fā)的元素是如何在我們的太陽系內(nèi)/外的行星形成過程中幸存下來的。”

參考資料：

https://www.eurekalert.org/news-releases/961341

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