几十年来,科学家们一直在思考地球是如何获得它唯一的卫星月球的。虽然有些人认为它是由地球因离心力而失去的物质形成的,或者是被地球引力捕获的,但最广泛接受的理论是 月亮形成 大约 45 亿年前,当一个火星大小的物体(名为 Theia)与原始地球(又名 巨大冲击假说 )。
然而,由于原地球经历了许多巨大的撞击,随着时间的推移,预计会在其周围的轨道上形成几颗卫星。因此出现了一个问题,这些卫星发生了什么?提出这个问题,一个国际科学家团队进行的团队 一项研究 他们认为这些“小卫星”最终可能会撞回地球,只留下我们今天看到的那个。
这项名为“ Moonfalls:地球与其过去的卫星之间的碰撞 ”,最近出现在网上并已被接受发表在皇家天文学会月刊。该研究由 Uri Malamud 领导,他是该研究所的博士后研究员。 以色列理工学院 ,并包括来自 图宾根大学 、德国和 维也纳大学 .
为了他们的研究,Malamud 博士和他的同事——Hagai B. Perets 教授、Christoph Schafer 博士和 Christoph Burger 先生(博士生)——考虑了如果地球最早的形式经历了在与忒伊亚相撞之前发生的多次巨大撞击。这些撞击中的每一个都有可能形成一个亚月球质量的“小卫星”,它会与原地球以及任何可能的先前形成的小卫星发生引力相互作用。
最终,这将导致小卫星与小卫星的合并,小卫星从地球轨道上弹出,或者小卫星坠落到地球上。最终,马拉默德博士和他的同事们选择研究后一种可能性,因为此前科学家们没有探索过这种可能性。更重要的是,这种可能性可能对地球的地质历史和演化产生巨大影响。正如马拉默德通过电子邮件向今日宇宙指出的那样:
“在目前对行星形成的理解中,地球行星生长的后期阶段是通过行星胚胎之间的许多巨大碰撞。这种碰撞形成了大量的碎片盘,这些碎片盘又会变成卫星。正如我们在本文和我们之前的论文中所建议和强调的,鉴于此类碰撞的发生率和卫星的演化——多个卫星的存在及其相互作用将导致月球坠落。它是当前行星形成理论固有的、不可避免的部分。”
然而,由于地球是一个地质活跃的行星,而且由于其厚厚的大气层会导致自然风化和侵蚀,因此地表会随着时间发生剧烈变化。因此,总是很难确定地球最早时期发生的事件的影响——即从 46 亿年前随着地球的形成开始并在 40 亿年前结束的冥古宙。
小行星或彗星将水带入原始地球的艺术家构想。图片来源:哈佛-史密森天体物理学中心
为了测试在这个 Eon 期间是否会发生多次撞击,导致小卫星最终落到地球上,该团队进行了一系列平滑粒子流体动力学 (SPH) 模拟。他们还考虑了一系列小卫星质量、碰撞影响角度和原始地球自转率。基本上,如果小卫星过去确实坠落到地球上,它会改变原地球的自转速度,导致其目前的恒星自转周期为 23 小时 56 分 4.1 秒。
最后,他们发现证据表明,虽然来自大型物体的直接撞击不太可能发生,但可能发生了多次掠食潮汐碰撞。这些会导致物质和碎片被抛入大气层,形成小卫星,然后彼此相互作用。正如马拉默德解释的那样:
“然而,我们的结果确实表明,在月球坠落的情况下,月球坠落物质的分布在地球上并不均匀,因此这种碰撞会导致不对称和成分不均匀。正如我们在论文中所讨论的,后者实际上有可能的证据——月球坠落可以潜在地解释陆地岩石中高度亲铁元素的同位素异质性。原则上,月球碰撞也可能在地球上产生大规模结构,我们推测这种效应可能有助于地球最早的超级大陆的形成。然而,鉴于地球自早期以来的地质演化,这方面更具推测性,很难直接证实。”
这项研究有效地扩展了当前广受欢迎的巨型撞击假说。根据这一理论,月球形成于太阳系的前 10 至 1 亿年,当时类地行星仍在形成。在这一时期的最后阶段,这些行星(水星、金星、地球和火星)被认为主要通过与大型行星胚胎的撞击而成长。
一位艺术家描绘的两个碰撞的岩石天体。这种碰撞最有可能是 HD 131488 系统中暖尘的来源。图片来源:双子座天文台/AURA 的 Lynette Cook
从那时起,月球被认为是由于地球和月球的共同潮汐而进化的,向外迁移到它现在的位置,从那时起它就一直在那里。然而,这种范式没有考虑在忒伊亚到达和地球唯一卫星形成之前发生的影响。因此,马拉默德博士和他的同事们断言,它与更广泛的类地行星形成图景脱节。
他们声称,通过考虑月球形成之前的潜在碰撞,科学家可以更全面地了解地球和月球是如何随时间演变的。这些发现也可能对其他太阳行星和卫星的研究产生影响。正如马拉默德博士指出的那样,已经有令人信服的证据表明大规模碰撞影响了行星和卫星的演化。
“在其他行星上,我们确实看到了产生行星尺度地形特征的非常大的撞击的证据,例如所谓的火星二分法,可能还有卡戎表面的二分法,”他说。 “这些必须来自大规模的影响,但小到足以形成亚全球行星的特征。月球坠落是此类撞击的自然前身,但不能排除小行星可能产生类似影响的其他一些大型撞击。”
在遥远的未来,这种碰撞也有可能发生。根据目前对其迁徙的估计,火星的卫星火卫一最终会撞上地球表面。虽然与在地球周围产生小卫星和月球的撞击相比很小,但这次最终的碰撞是直接证据,表明月球坠落发生在过去并将在未来再次发生。
简而言之,早期太阳系的历史是暴力和灾难性的,大量的创造是由强大的碰撞产生的。通过更全面地了解这些撞击事件如何影响类地行星的演化,我们可以对孕育生命的行星如何形成有新的认识。反过来,这可以帮助我们在太阳系外系统中追踪此类行星。
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