地月“遺傳學(xué)”

肖恩·雷蒙德　高鵬

想象一下，對(duì)兩位看上去長(zhǎng)得極其相似的人進(jìn)行一次遺傳學(xué)檢查。檢查結(jié)果顯示，這兩個(gè)人的遺傳指紋幾乎完全相同。這意味著什么？他們會(huì)不會(huì)是一對(duì)由于醫(yī)院的失誤而分開(kāi)，從此失散多年的兄弟呢？

地球和月球之間也存在同樣的問(wèn)題，在同位素水平上（對(duì)巖石來(lái)說(shuō)，同位素水平就相當(dāng)于巖石的“遺傳學(xué)”水平），地球和月球在本質(zhì)上是完全相同的。這一問(wèn)題已經(jīng)困擾了科學(xué)家數(shù)十年。對(duì)月球的起源來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)肯定意味著什么，但究竟是什么呢？

在過(guò)去的百余年中，天文學(xué)家對(duì)月球是如何形成的已經(jīng)提出了好幾種理論：捕獲說(shuō)，月球是一個(gè)被地球引力捕獲的流浪行星；分裂說(shuō)，早期的地球旋轉(zhuǎn)得太快了，甩出了月球；大碰撞說(shuō)，年輕的地球與另一顆正在成長(zhǎng)的中行星發(fā)生了碰撞，從而創(chuàng)造了月球。近年來(lái)，大碰撞說(shuō)已經(jīng)成為優(yōu)選模型。

大碰撞說(shuō)與我們目前了解的整個(gè)太陽(yáng)系的形成理論相契合，即太陽(yáng)系的各大行星都是由圍繞著年輕太陽(yáng)的氣體和塵埃盤積聚而成的。地球和其他行星都是在一系列的碰撞中成長(zhǎng)起來(lái)的，以塵埃粒子聚集為起點(diǎn)，直至兩個(gè)行星大小的天體相碰撞，從而達(dá)到最高潮。在最后一次巨大的碰撞中，正在成長(zhǎng)中的地球被卷入其中。這次大碰撞在造就一個(gè)新地球的同時(shí)，也將大量巖石碎屑拋入太空，圍繞著新地球的軌道運(yùn)行，形成碎屑盤，并由此催生了月球。大碰撞模型是如此受歡迎，以至于人們?yōu)榫砣氪舜未笈鲎驳膬蓚€(gè)天體都起了名字：原始地球（地球的前身）和忒伊亞星球（撞擊原始地球的天體，以古希臘女神忒伊亞的名字命名。在古希臘神話中，忒伊亞是月球的母親）。

為了更好地理解這兩個(gè)天體，我們需要查看一下它們的“遺傳學(xué)”信息，以搞清它們的來(lái)龍去脈。在這里，“遺傳學(xué)”信息指的是對(duì)同一元素的不同同位素進(jìn)行精確的地球化學(xué)測(cè)量。對(duì)地球化學(xué)測(cè)量來(lái)說(shuō)，氧元素尤其重要，因?yàn)樗腥N穩(wěn)定的同位素。精確測(cè)量顯示，地球和月球具有完全相同的氧同位素指紋，也就是說(shuō)，氧的不同同位素的相對(duì)豐度幾乎完全一致。直到2014年，人們才第一次在地球和月球的巖石中檢測(cè)到氧同位素的細(xì)微差別。這個(gè)差別只有地球巖石與火星巖石在氧同位素上差別的1/30。

在大碰撞說(shuō)中，人們一般認(rèn)為原始地球和忒伊亞星球的氧同位素特征是不同的，這是因?yàn)槊恳粋€(gè)行星的同位素特征都是由其軌道決定的。由此我們可以推測(cè)，要使兩顆行星獲得幾乎完全相同的同位素特征只有一種方式，那就是這兩顆行星幾乎形成于同一個(gè)軌道，而這與我們通常認(rèn)為的行星的成長(zhǎng)方式不相符。但是，如果地球和忒伊亞星球有著不同的同位素指紋，那么地球和月球?yàn)槭裁磿?huì)有同樣的同位素指紋呢？

有關(guān)這一問(wèn)題，現(xiàn)在有幾個(gè)潛在的解釋，但它們都需要一些“恰到好處”的前提條件方可成立。但是，很明顯，這些條件都是幾乎不可能的。其中一個(gè)可能的解釋是，月球是由原始地球和忒伊亞星球各出一半混合形成的。然而，計(jì)算機(jī)模擬顯示，對(duì)大多數(shù)碰撞來(lái)說(shuō)，最終聚集在一起形成類似月球的天體的碎屑盤，其物質(zhì)主要來(lái)自諸如忒伊亞星球一類的天體，只有10%至40%的物質(zhì)來(lái)自諸如地球一類的天體。另一個(gè)可能的解釋是，形成月球的碎屑盤在大碰撞后與地球間實(shí)現(xiàn)了化學(xué)平衡。要使月球的化學(xué)指紋與地球相同，這一平衡必須真實(shí)發(fā)生。但最近的計(jì)算表明，實(shí)現(xiàn)這一平衡所經(jīng)歷的時(shí)間，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于月球形成需要的時(shí)間。因此，這一理論也是行不通的。

在2015年4月第9期的《自然》雜志上，亞歷山德拉·瑪斯特魯布諾·巴蒂斯蒂、哈蓋·佩列茨和我，共同對(duì)這一長(zhǎng)期困擾人們的難題給出了一種新的解釋。前提很簡(jiǎn)單：忒伊亞星球和原始地球擁有相同的化學(xué)組成。如果這是真的，大碰撞后將不可避免地形成一個(gè)與地球的組成完全一樣的月球。

為了驗(yàn)證這一設(shè)想，我們對(duì)地球和其他巖質(zhì)行星的形成進(jìn)行了一系列的計(jì)算機(jī)模擬。這些模擬圍繞環(huán)繞年輕太陽(yáng)運(yùn)行著的、有成千上萬(wàn)個(gè)巖質(zhì)天體的碎屑盤進(jìn)行。在大約1億年的時(shí)間里，這些較小的天體相互碰撞、成長(zhǎng)，最終形成了四顆行星，其中一顆與地球有著直接的血緣關(guān)系，另外三顆也是類地行星。

每一次模擬都會(huì)產(chǎn)生一顆類地行星：與地球差不多大小，其軌道也離地球軌道很近。我們通過(guò)調(diào)查每一顆模擬行星是由哪些實(shí)體組成，以及“哺育”它們的地帶，追查了每一顆模擬行星的血統(tǒng)。如果一顆行星是由一條狹窄地帶“哺育”的，那么它只能從一個(gè)狹窄的環(huán)狀區(qū)域吸收物質(zhì)。與此相反，如果一顆行星是由一個(gè)寬廣的地帶“哺育”的，它就可以通過(guò)與形成于不同軌道的其他天體相碰撞而長(zhǎng)大，也就是說(shuō)，它可以從一個(gè)寬廣的盤狀區(qū)域吸收物質(zhì)。

其實(shí)很簡(jiǎn)單，一個(gè)行星的化學(xué)指紋圖譜，就是這個(gè)星球在成長(zhǎng)過(guò)程中吸收的所有天體的化學(xué)指紋的匯總。換句話說(shuō)，“哺育”一顆行星的區(qū)域決定其化學(xué)特征。我們考察了模擬出的每一顆類地行星的成長(zhǎng)過(guò)程，尤其是每一顆此類行星的最后一次大碰撞，即類似于原始地球和忒伊亞星球的那次大碰撞。我們對(duì)這些天體在碰撞前后所處的“哺育”地帶進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)事情變得相當(dāng)有趣。

值得注意的是，原始地球和模擬的忒伊亞星球往往共享一個(gè)“哺育”地帶。在碰撞之前它們已經(jīng)成長(zhǎng)了起來(lái)，并且有著相同的分布組成。這一現(xiàn)象并不是在每一次模擬中都會(huì)發(fā)生，但是出現(xiàn)的概率十分穩(wěn)定，大約每4次模擬中就會(huì)出現(xiàn)1次。這就意味著，我們構(gòu)想的情節(jié)的確可能發(fā)生：在忒伊亞星球和原始地球碰撞之前，它們就擁有了相同的同位素（基因）指紋，這意味著地球和月球應(yīng)該也擁有同樣的指紋。兩位鄰居擁有相同的基因，并不是因?yàn)樗麄兪鞘⒍嗄甑男值埽且驗(yàn)樗麄兊淖嫦染哂邢嗤奈镔|(zhì)構(gòu)成。

在我們進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬中，“哺育”了忒伊亞星球的地帶，幾乎總是與“哺育”了原始地球的地帶非常相似，它們之間的相似度遠(yuǎn)勝于“哺育”了其他鄰近行星的地帶。我們知道，火星的同位素指紋與地球和月球的同位素指紋完全不同，這一點(diǎn)與我們的上述模擬結(jié)果完美契合。

最后還有一個(gè)小問(wèn)題，出現(xiàn)在利用我們建立的數(shù)學(xué)模型計(jì)算行星的實(shí)際同位素特征上。這么做是為了確證地球和月球具有相同的同位素指紋，并計(jì)算出其中的差異水平。但是這一情況很棘手，因?yàn)槲覀儾恢榔鹗紬l件是什么，不知道太陽(yáng)的行星形成盤的化學(xué)梯度是怎樣的。坦率地說(shuō)，我們對(duì)此一無(wú)所知。通過(guò)簡(jiǎn)單的假設(shè)，我們發(fā)現(xiàn)，在計(jì)算機(jī)模擬中可以提供一個(gè)很好的匹配的可能性為10%至25%。當(dāng)然，關(guān)于這一步也有一些爭(zhēng)論，因?yàn)橛蓛?nèi)森·凱伯和尼克·考恩進(jìn)行的另一項(xiàng)研究得出了不同的結(jié)論：原始地球和忒伊亞星球的一個(gè)延伸帶足以生成地球和月球。我們之間的分歧既十分微妙，又十分重要，目前我們正致力把這種分歧理清。

現(xiàn)在你明白了吧。地球和月球擁有同樣的同位素指紋，也許是在告訴我們?cè)嫉厍蚝瓦羴喰乔驌碛泄餐钠鹪?。早在大碰撞發(fā)生之前，它們的化學(xué)特征就已經(jīng)相同了，它們是吸收了相同的原材料成長(zhǎng)起來(lái)的。這要感謝行星基因?qū)W，它使得我們可以確信：“是的，我們就是知道?！?/p>