重塑月球的起源

編譯 王格格

加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的行星物理學(xué)家薩拉·斯圖爾特（Sarah Stewart）最近贏得了麥克阿瑟基金會獎金——眾所周知的“天才獎”。因她在月球起源方面的工作，顛覆了之前幾十年的理論，而被授予625 000美元獎金。

她對《鸚鵡螺》（Nautilus）雜志談起關(guān)于獎金的授予：“僅僅說要給你機(jī)會做一些事情，而不告訴你要做什么，這是令人驚訝的概念，自由且不同尋常?！彼龑@個獎項(xiàng)的表彰感到特別激動?；饡L問了她的若干同事，這是審查過程的一部分。她說：“我真的很感激我的同事，實(shí)在太令人激動了?！?/p>

在世界空間周（World Space Week）期間，《鸚鵡螺》雜志對斯圖爾特進(jìn)行了訪談。2018年世界空間周的主題是“太空聯(lián)結(jié)世界”，這促使她用該主題作為標(biāo)題寫了一首詩。雜志方詢問了她的實(shí)驗(yàn)室如何通過模擬行星碰撞的壓力和溫度實(shí)驗(yàn)，從而得到月球形成的模型。如下是訪談的主要內(nèi)容。

太空如何將我們聯(lián)結(jié)在一起？

如今對于太空的各種分歧逐漸凸顯，借本次世界太空周舉辦之際，我將我所寫的內(nèi)容作為對此的回應(yīng)。驚奇和新鮮事物的空間探索和發(fā)現(xiàn)是聯(lián)結(jié)每個人和享受自然深邃之美的方式，我希望我們花更多的時間來談?wù)撃切┳屛覀兟?lián)結(jié)在一起的事物。

以月球?yàn)槔垶槲覀兒喴榻B它的起源理論。

俄羅斯天文學(xué)家維克托·薩夫羅諾夫（Viktor Safronov）一直在研究行星演化的模型。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天體演化至亞行星或原行星大小時，會發(fā)生碰撞。隨后，其他幾個研究小組各自提出，一次猛烈的撞擊形成環(huán)繞地球的盤，月球通過此盤吸積物質(zhì)而形成。在過去的50年中，該模型變得定量可測，模擬結(jié)果表明，月球應(yīng)該主要由撞擊原始地球的物體構(gòu)成。

2019年是阿波羅登月50周年，阿波羅任務(wù)帶回的巖石樣本基本上舍棄了這一觀點(diǎn)。阿波羅任務(wù)發(fā)現(xiàn)，月球?qū)嶋H上是地球的孿生體，尤其是它的地幔，主要元素和同位素比率是相同的，不同重量的元素就像指紋，以相同的豐度存在。除了地球和月球之外，太陽系的每顆小行星和行星都有不同的指紋。因此，巨大撞擊假說是錯誤的。這就是科學(xué)工作的方式：巨大撞擊假說一直存在，因?yàn)闆]有其他證實(shí)的模型。

你關(guān)于月球形成的觀點(diǎn)有什么不同？

我們挑戰(zhàn)了巨大撞擊說。通過挑戰(zhàn)，我們特別移除了最初約束之一。最初的巨大撞擊用來衡量地球上1天的長度，因?yàn)榻莿恿浚ň€性動量的等效轉(zhuǎn)動）是守恒的物理量：如果我們在時間上倒退，月球會接近地球。在月球形成時，地球?qū)⒁?小時為1天的速度旋轉(zhuǎn)。因此，所有巨大撞擊說的模型都傾向于在巨大撞擊之后，地球的1天為5小時。我們所做的是：“那么，如果月球形成后有改變角動量的方法呢？”這勢必要通過與太陽的動力學(xué)相互作用，這意味著我們可以讓地球旋轉(zhuǎn)大幅加快，我們正在探索的是關(guān)于巨大撞擊后地球的1天為2或3個小時情況下的模型。

在你們的模型里，快速旋轉(zhuǎn)的地球會發(fā)生什么？

令人驚奇的是，當(dāng)?shù)厍驘霟帷饣?、快速旋轉(zhuǎn)時，它不再是行星。存在一個界限，超過這個界限，所有的地球物質(zhì)都不能在共轉(zhuǎn)物體中停留，我們稱之為共轉(zhuǎn)極限。超過共轉(zhuǎn)極限的物體形成新的物體，我們稱之為索內(nèi)斯蒂亞（synestia），這是希臘語的衍生詞，表示連接共生的結(jié)構(gòu)。Synestia是不同于行星加盤的物體，它具有不同的內(nèi)在動力。在這種熱汽化狀態(tài)下，盤中的熱氣體不能落到行星上，因?yàn)樾行堑拇髿鈱訒怏w推出。最后發(fā)生的是：形成synestia的巖石蒸汽通過空間輻射而冷卻，在synestia的外部形成巖漿雨，巖漿雨通過吸積形成月球，而冷卻后的巖石蒸汽成為地球。

Synestia的概念是如何產(chǎn)生的？

2012年，我和馬蒂亞·庫克（Matija ?uk）發(fā)表了關(guān)于月球起源的高自旋模型的論文。我們改變了撞擊事件，但我們沒有意識到：撞擊之后事情完全不同，那不是我們從模型中推導(dǎo)出的任何東西。直到兩年后，我和我的學(xué)生西蒙·洛克（Simon Lock）在看不同的圖片（我們以前從未從相同的模擬中獲得的圖片）時，我們才意識到，我們對后來發(fā)生的事情的解釋是不正確的。有一段時間我們坐在一起，討論撞擊后的盤如何在地球周圍演化，我們意識到它不是標(biāo)準(zhǔn)的盤。這些synestia可能已經(jīng)在人們的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在了相當(dāng)長時間，沒有人真正將它們確定為不同的東西。

Synestia的尺寸超過月球當(dāng)前軌道嗎？

它本來可以更大。具體有多大，取決于撞擊的能量和旋轉(zhuǎn)的速度。我們對此沒有精確的限制，因?yàn)橐幌盗械膕ynestia都可以產(chǎn)生月球。

地球處在synestia狀態(tài)會有多長時間？

Synestia是非常巨大的，但它不會持續(xù)很長時間。因?yàn)閹r石蒸汽非常熱，而且我們在太陽系的位置離太陽足夠遠(yuǎn)，我們的平均溫度比巖石蒸汽低，synestia冷卻得非常快。因此，在它看起來像正常行星之前，這種狀態(tài)可以持續(xù)1 000年左右。至于具體持續(xù)多久，取決于地球周圍的太陽系發(fā)生了什么。為了成為長壽命的物體，它必須離恒星非常近。

撞擊原始地球的物體的尺寸有多大？

我們無法確切描述，因?yàn)椴煌馁|(zhì)量比、撞擊角度、撞擊速度可以形成具有足夠質(zhì)量和角動量的synestia，從而形成月球。我不知道我們能否確切知道什么撞擊了我們，但可能有辦法約束這些可能性。一種方法就是觀察地球深處，探尋撞擊事件大小的可能線索。來自深地幔的化學(xué)示蹤表明：即使通過月球形成事件，地球并沒有完全熔化和混合。一些物體從靠近地核-地幔邊界處，通過海洋島玄武巖（有時也稱為地幔柱），再通過整個地幔到達(dá)地表；這可以作為撞擊事件的上限。因?yàn)榈厍蚝驮虑蜻@兩個天體的地幔非常相似，所以可以用來確定撞擊事件的下限。這樣我們將獲得一個范圍，此范圍可能會滿足不同大小撞擊的配置。

薩拉·斯圖爾特

需要多少能量才能形成synestia？

巨大撞擊是巨大能量的事件。以撞擊的動能而言，事件的能量在數(shù)小時內(nèi)釋放。所涉及的能量與太陽的能量或光度相似。當(dāng)你把太陽的能量傾倒在這個星球上時，我們就真的不能將地球看作像地球的任何東西。

Synestia有多常見？

事實(shí)上，我們認(rèn)為在巖石行星的形成過程中會經(jīng)常發(fā)生。我們還沒有觀察巨大的氣體行星，對于它們有一些不同的物理機(jī)制。但對于像地球這樣的巖石天體，我們試圖統(tǒng)計(jì)估計(jì)synestia出現(xiàn)的頻率。對于宇宙中任何地方的地球質(zhì)量級別的天體來說，天體在演化過程中至少有一次會處在synestia狀態(tài)，產(chǎn)生synestia的可能性隨著天體尺寸的增加而增加，超級地球在某些時候也應(yīng)該處于synestia態(tài)。

你說過在行星形成過程中所達(dá)到的所有壓力和溫度現(xiàn)在都可以在實(shí)驗(yàn)室中達(dá)到。首先，讓我們了解一下這些壓力和溫度的大小，并告訴我們在實(shí)驗(yàn)室中如何實(shí)現(xiàn)它們。

地球中心的溫度是幾千度，有數(shù)百億帕的壓力，大約是地球表面壓力的300萬倍。木星的中心甚至更熱，在巨大撞擊中，當(dāng)天體碰撞在一起時，木星的中心壓力可以短暫達(dá)到。巨大撞擊和木星的中心壓力大約是行星形成過程中所能達(dá)到的壓力和溫度的極限情況：即幾萬度、百萬倍的地球壓力。為了模擬這個條件，我們需要將能量很快地傾倒在我們的巖石或礦物上，來產(chǎn)生沖擊波以達(dá)到這種幅度的壓力和溫度。我們使用地球上或巖石行星的主要礦物，我們研究了鐵、石英、鎂橄欖石、頑火輝石和不同的合金成分。其他人研究了木星的氫氦混合物，研究了天王星和海王星的冰。在我的實(shí)驗(yàn)室里，我們有輕瓦斯槍，基本上就是大炮，使用壓縮氫，我們可以發(fā)射一個金屬飛盤（薄盤），速度幾乎可達(dá)到每秒8公里。我們可以達(dá)到地球的核心壓力，但是在我的實(shí)驗(yàn)室里無法達(dá)到巨大撞擊的壓力范圍或者木星的中心壓力。不過桑迪亞Z型機(jī)器（利用磁力發(fā)射金屬盤的大電容器）可使飛盤速度達(dá)到每秒40公里。利用勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的國家點(diǎn)火裝置激光器，我們能夠到達(dá)木星中心的壓力。

發(fā)射飛盤時會發(fā)生什么？

目標(biāo)氣化后會變成塵埃，然后再次冷卻。這是非常具有破壞性的實(shí)驗(yàn)。你必須實(shí)時測量幾十納秒內(nèi)的波速，我們可以將此轉(zhuǎn)換為壓力。我的小組花了很多時間研究測量溫度的方法，試圖找到不同階段的邊界。這項(xiàng)追尋月球起源的工作重點(diǎn)研究氣化地球物質(zhì)需要什么以及確定巖石沸點(diǎn)。我們需要知道什么時候它會氣化，以便計(jì)算何時天體會變成synestia。

你如何使用你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？

在我們的計(jì)算機(jī)程序代碼中運(yùn)行的是行星的簡化版本。通過我們的實(shí)驗(yàn)，我們可以模擬簡化的行星來推斷更復(fù)雜的化學(xué)系統(tǒng)。一旦我們確定了平均系統(tǒng)的壓力和溫度，你就可以詢問關(guān)于真實(shí)行星多組分化學(xué)的更詳細(xì)問題。在2018年發(fā)表的月球文章里，有兩大部分：一是對巨大撞擊的簡化模型，給出了synestia的壓力溫度范圍；另一部分研究系統(tǒng)在高壓高溫以及冷卻條件下的化學(xué)性質(zhì)。

接到麥克阿瑟基金會的電話是什么感覺？

確實(shí)很出乎意料。他們打電話給我，我接了電話，電話另一端有三個人，他們說他們來自麥克阿瑟基金會。我知道那意味著什么，我沒能再聽下去，因?yàn)檫@實(shí)在是一個驚喜。對我來說，這可能只是暫時的虛幻，意味著我可能需要一些時間才能真正沉浸于此。

你是如何開始研究行星物理學(xué)的？

我喜歡科幻小說，我并不認(rèn)為自己會成為科學(xué)家。但在高中的時候，我擁有杰出的數(shù)學(xué)和物理老師，他們真的抓住了我的興趣，所以當(dāng)我上大學(xué)的時候，我想成為物理專業(yè)的學(xué)生。我很快了解到，天文學(xué)家非常歡迎本科生加入研究，因?yàn)檫@項(xiàng)工作對于具有本科技能的人來說非常容易，我遇到了非常棒的科學(xué)家，這開啟了整個職業(yè)生涯。

如果沒有成為科學(xué)家，你會做什么工作呢？

這很難說，因?yàn)樗恢笔俏业睦硐?。在大學(xué)里我參演了很多戲劇，戲劇勝于家庭作業(yè)。我最好的戲劇經(jīng)歷是執(zhí)導(dǎo)《惡魔理發(fā)師》，那真是太神奇了。所以我真的很羨慕我的一些朋友追求戲劇化的生活，那是可以懷念的事情，只可惜那會是一條艱難的道路。

美國國家宇航局正在慶祝其60周年紀(jì)念日。作為研究太空的科學(xué)家，這對你意味著什么？

我感覺我們在60年里學(xué)到了很多東西，因?yàn)槲覀円呀?jīng)首次訪問了太陽系的所有星體。但同時，每次到達(dá)新的星體，我們都感到非常驚奇。因此，在某些方面，我們?nèi)匀惶幱谛行强茖W(xué)的初期，我們正在努力研究基礎(chǔ)知識。那是非常激動人心的時刻，我們?nèi)匀惶幵诜浅４蟮脑鲩L曲線上。

資料來源 nautil.us