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月球如何形成?天文学家又有新见解

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:14

    月球如何形成?天文学家又有新见解

    对于地球来说,月球作为卫星的体积有些太大了,而且除缺少很久以前逸散掉的易挥发性物质,地月在成分上几近相同。加利福尼亚大学戴维斯分校地球行星学教授、论文第一作者Sarah Stewart 指出,这让月球在太阳系的主要天体中独树一帜。

    目前,月球形成的教科书理论是“大碰撞”理论:在太阳系形成的晚期,一些行星大小的高温天体间会产生相互碰撞。其中,一个火星大小的天体撞上了当时的地球,并抛洒出了大量碎片。而这些碎片聚合形成了月球,其中大约60%来自撞击体。这一碰撞也塑造了地月系统的角动量,并让早期地球具有5小时的自转周期。千万年后,月球逐渐远离地球,地球的自转也逐渐减慢到今天的24小时。

    “大碰撞”理论是这样推演而出的:科学家们通过观察月球现在的运行轨道,计算在潮汐力作用下地月系统角动量的快速转移,再反推得到初始状态。

    但是这种理论存在两个问题。其一,月球的化学构成与地球惊人相似,不符合“60%的组成来自撞击体”。其二,月球当前轨道与赤道倾斜交叉,如果月球由环绕地球赤道运行的一团物质聚集而来,那么它应该依然在地球赤道上空运转。这意味着月球的轨道形成还有其他的力量参与其中。原有大碰撞理论无法对此做出解释。

    加州山景城SETI 研究所科学家Matija Ćuk、马里兰大学的 Douglas Hamilton 以及哈佛大学的 Simon Lock 共同提出了一种新模型,重新诠释了月球如何到了它现在所处的位置。

    月球如何形成?天文学家又有新见解

    在“大碰撞“模型中,地球的初始倾角接近当前的23.5度(上图)。最开始,月球是在地球赤道平面内运行的;之后,月球轨道沿平滑的路径从赤道面向黄道面(地球围绕太阳运行的平面)过渡。而新模型假设:如果地球在碰撞过后的初始倾角更大(大约75度,下图),那么月球轨道从赤道面到黄道面的过渡则是剧烈波动的,导致沿黄道面出现较大摆动。下图符合当前月球轨道与黄道的5度夹角。图片来源: Douglas Hamilton

    早在2012年,Ćuk 和 Stewart 就提出,地月系统的一部分角动量可能转移到了日地系统中。由此可推测以开始时的大碰撞的能量可能更高。

    在新模型中,高能碰撞导致原始地球大量的物质蒸发和融化。此外,模型中的地球的自转时间成为2小时一天,而自转轴朝向太阳。

    由于大碰撞的能量更高了,撞击后原地球和撞击物混为一体,而月球和地球都源自这一整体,因此有相似的物质构成。

    由于潮汐引力逐渐削弱了地月系统的角动量,月球逐渐远离地球。当它到达“拉普拉斯平面过渡点(La Placeplane transition)”时,地球对月球的引力开始小于了太阳对月球的引力。这造成了地月系统的一些角动量转移到日地系统中。

    角动量的转移虽然并未对地球的轨道造成显著影响,但却把地球扶正了。因此新模型显示的月球轨道与赤道面的夹角更大。

    之后的几千万年,月球继续缓慢而持续的远离地球,直到它到达第二个过渡点。在这里,月球轨道的倾角减小到5度左右,这便差不多与当前情况一致。

    Stewart说道,“新理论中,最开始仅一次的大碰撞就能对月球轨道和化学构成做出完美的解释。因此,月球轨道的形成可以总结为——

    一次大碰撞触发了一系列的事件。”

    翻译:访冬

    审校:卓思琪

    文章来源https://phys.org/news/2016-10-theory-moon.html

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