重塑月球的起源

編譯 王格格

加利福尼亞大學戴維斯分校的行星物理學家薩拉·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。”她對這個獎項的表彰感到特別激動。基金會訪問了她的若干同事，這是審查過程的一部分。她說：“我真的很感激我的同事，實在太令人激動了。”

在世界空間周（World Space Week）期間，《鸚鵡螺》雜志對斯圖爾特進行了訪談。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題寫了一首詩。雜志方詢問了她的實驗室如何通過模擬行星碰撞的壓力和溫度實驗，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。

以月球為例，請為我們簡要介紹它的起源理論。

俄羅斯天文學家維克托·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。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。這就是科學工作的方式：巨大撞擊假說一直存在，因為沒有其他證實的模型。

你關(guān)于月球形成的觀點有什么不同？

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，因為角動量（線性動量的等效轉(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?shù)厍驘霟帷饣⒖焖傩D(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，因為行星的大氣層會將氣體推出。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出的任何東西。直到兩年后，我和我的學生西蒙·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準的盤。這些synestia可能已經(jīng)在人們的計算機系統(tǒng)中存在了相當長時間，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，因為一系列的synestia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。因為巖石蒸汽非常熱，而且我們在太陽系的位置離太陽足夠遠，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，因為不同的質(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地表；這可以作為撞擊事件的上限。因為地球和月球這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？

事實上，我們認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制。但對于像地球這樣的巖石天體，我們試圖統(tǒng)計估計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到的所有壓力和溫度現(xiàn)在都可以在實驗室中達到。首先，讓我們了解一下這些壓力和溫度的大小，并告訴我們在實驗室中如何實現(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，當天體碰撞在一起時，木星的中心壓力可以短暫達到。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。在我的實驗室里，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），速度幾乎可達到每秒8公里。我們可以達到地球的核心壓力，但是在我的實驗室里無法達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型機器（利用磁力發(fā)射金屬盤的大電容器）可使飛盤速度達到每秒40公里。利用勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置激光器，我們能夠到達木星中心的壓力。

發(fā)射飛盤時會發(fā)生什么？

目標氣化后會變成塵埃，然后再次冷卻。這是非常具有破壞性的實驗。你必須實時測量幾十納秒內(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。這項追尋月球起源的工作重點研究氣化地球物質(zhì)需要什么以及確定巖石沸點。我們需要知道什么時候它會氣化，以便計算何時天體會變成synestia。

你如何使用你的實驗結(jié)果？

在我們的計算機程序代碼中運行的是行星的簡化版本。通過我們的實驗，我們可以模擬簡化的行星來推斷更復雜的化學系統(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)于真實行星多組分化學的更詳細問題。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性質(zhì)。

接到麥克阿瑟基金會的電話是什么感覺？

確實很出乎意料。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，因為這實在是一個驚喜。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的？

我喜歡科幻小說，我并不認為自己會成為科學家。但在高中的時候，我擁有杰出的數(shù)學和物理老師，他們真的抓住了我的興趣，所以當我上大學的時候，我想成為物理專業(yè)的學生。我很快了解到，天文學家非常歡迎本科生加入研究，因為這項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家，這開啟了整個職業(yè)生涯。

如果沒有成為科學家，你會做什么工作呢？

這很難說，因為它一直是我的理想。在大學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《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周年紀念日。作為研究太空的科學家，這對你意味著什么？

我感覺我們在60年里學到了很多東西，因為我們已經(jīng)首次訪問了太陽系的所有星體。但同時，每次到達新的星體，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