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地球早期自转周期2.5小时行星撞地产生月球

  凤凰科技讯 北京时间10月19日消息新科学家报道,近日科学家首次提出了两个关于月球形成的天体碰撞新模型,用于解释为什么月球的成分与地球相同。这两个模型都建立在一个假设上:早期地球旋转速度比之前预想的快得多——一个地球日大约只有2.5小时。

  科学认为早在45亿年前,一个行星大小的天体与早期地球发生碰撞,剩下的残余物形成了月球。但一直以来的问题是,碰撞模拟结果总是显示月球的形成成分主要来自撞击天体。在过去的十年里,研究学者一直在对月球的岩石进行分析。他们发现月球上的氧同位素比例与地球上的几乎一模一样,这表明这两个天体是由同种材料组成的。火星和小行星的陨石里的氧同位素比例与地球的大不相同,所以撞击早期地球的天体的氧同位素比例与地球的很可能也不尽相同。

  “这让我们困惑不已,”美国科罗拉多州博尔德市西南研究院的罗宾·肯纳普(Robin Canup)这样说道:“月球的氧同位素比例为什么会和地球上的一模一样,这让人百思不得其解。”

  自转速度

  两个最新的模型解决了这个难题,而这多亏了研究学者提出的关于太阳系混沌初期地球自转速度的新见解。早期的碰撞模型都假设在月球形成初期,地球的自转周期为5小时,这是由于当时月球与地球的距离比现在小得多,而自那时起,两者之间的距离在不断增大(大约每年几厘米)。正如滑冰者将手臂抱在胸前时自身旋转速度会更快,根据角动量守恒原理,当月球距离地球更近时,地球的旋转速度也相对更快——随着月球的逐渐远离,旋转速度也逐渐减慢。因此,在月球形成初期时地球自转时间从5小时逐渐演化到现在的24小时。

  但是,基于这个自转速度的大碰撞模型导致的动力学结果显示的月球成分总是错误的。直到最近,美国加州山景城地外文明搜索研究所的马提亚·库克(Matija Cuk)以及哈佛大学的莎拉·斯图尔特(Sarah Stewart )提出一种导致地球自转速度减慢的新机制。它表明地球在大碰撞发生时的自转周期最短可以达到2.5小时。这种机制涉及了太阳对月球的引力拖拽,使得月球从地球上“偷取”动量,减慢了地球的自转速度。

  更小更快的撞击者

  基于库克和斯图尔特的工作,肯纳普创造了一种关于月球形成的完整模型。在她的模型中,两个质量大约是地球现在质量的一半的天体,撞击并紧密的合为一体。撞击产生的能量将两者融化。大部分的质量形成了一个中央行星,少部分蒸汽则进入环绕行星的盘状体内,后者在100年的时间内逐渐合并形成月球。碰撞形成的两个天体拥有一样的成分,这是由天体撞击后融化的岩石相互混合所致。

  库克和斯图尔特则提出了另一个模型。他们发现如果假设地球在碰撞前的自转周期已经是2.5小时,一个比之前预想还要小、速度还要快的撞击天体可能会产生月球。与肯纳普的模型相似,撞击产生的行星和月球的成分90%类似于现在地球的成分,剩余10%来自撞击天体。

  库克认为自己的这个模型更具说服力,“撞击天体体积比预想的更小的可信度比较大,因为宇宙中不乏这样小质量天体。”基于模拟数据,肯纳普表示撞击天体与地球体积大小一样的概率大约是1/5,“这并非完全不可能。”

  加州大学圣克鲁斯分校的艾瑞克·阿斯帕(erik asphaug)表示,关于月球究竟是如何形成的,这两个模型也许都不能完全解释。但是地球旋转速度更快的假设或许可以提供一些从未探索过的新概念,“这将会引发新一轮的争论。“(编译/严炎刘星)