地经济学家付出解决天体起点新思路必德电竞,

作者: 必德电竞  发布:2019-05-29

月球可能形成于约45亿年前,在地球形成后不久,有关它的起源有几种假说,得到更多事实证据支持的说法是它形成于地球与火星般大小的天体-“忒伊亚”之间一次巨大撞击所产生的碎片,在地球外围聚集而形成的“大碰撞起源说”。关于宇宙我们有太多太多未知的事情。

行星科学家,最爱做的事是:让行星相撞。

解月球之谜还看金星 科学家给出解决天体起源新思路

离我们最近的月球究竟从何而来?今天的TED演讲给大家带来一个新的理论。

在实验室中,他们常常用这样的大炮击射岩石。

在过去几年里,计算机模拟、岩石同位素分析、月球探测所获得的数据等为解释地月系统的特性提供了新的可能。

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以下为演讲稿:

在实验中,能模拟行星形成时的极端环境。借助电脑模型,可以让所有的行星互相撞击,让它们重生,也可让它们毁灭。

月球的构成与地球的外部成分相似。

没有人喜欢犯错。而我犯了个超级大错。我找出了我做错什麽,后续导致了一个发现,完全改变了我们对于地球和月球的看法。

想弄明白地球和月球是如何形成的,而且地球为何与其他行星如此不同。

图片来源:BRIAN A. VIKANDER/CORBIS

我是行星科学家,我最爱做的事情就是把行星撞在一起。在我的实验室,我可以用像这样的大砲对岩石开火。依我的经验,我可以得出行星在形成时的极端条件。用电脑模型,我可以让行星整个相撞,让它们长大,或是我也可以摧毁它们。

没人喜欢犯错。而科学家们却犯了个惊天大错。

在浩瀚的天空中,月亮对人类来说是一个再熟悉不过的景象。月球发挥着巨大的作用:它能使地球稳定地旋转,将地球围绕地轴转动的倾斜角度控制在几度以内。如果没有月球存在,地球的运行状态就会发生混乱,地轴倾斜角度将达到数十度。如此大的变化可能不会阻碍生命的产生,但会导致一种截然不同的气候。

我想要了解,如何能制造出地球和月球,以及为什么地球和其他行星如此不同。关于地球和月球最初如何形成的主要想法是所谓的「大碰撞说」。这个理论是火星大小的天体撞击了年轻的地球,而月球是从该行星的盘状分佈碎片残骇所形成。

但弄清错误的过程则让他们有了一个发现,它完全改变了大家对地球和月球的看法。

了解月球的形成对了解地球和其他行星的形成至关重要。自20世纪80年代起,研究月球起源的学者便将重点放在了“大碰撞”理论。该理论认为,一颗行星大小的天体和正在形成中的地球发生碰撞,撞击留下的碎片形成了月球。在45亿年前,即地球形成的最后阶段,这样巨大的碰撞在太阳系中很常见。

这个理论能解释许多月球的状况,但它有个巨大的瑕疵:它预测,月球的主要成分是那个火星大小的行星,所以地球和月球是用不同的材料生成的。但我们看到的并非如此。地球和月球其实像是同卵双胞胎。行星的基因码是写在元素的同位素中。地球和月球有相同的同位素。那就表示,地球和月球是用同样的材料生成的。地球和月球是双胞胎,这是很奇怪的事。

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但人们仍不能具体地了解是怎样的冲击力产生了地球和月球。在过去几年里,计算机模拟、岩石同位素分析、月球探测所获得的数据等为解释地月系统的特性提供了新的可能。

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有关地球月球起源的主流观点是“大碰撞理论”。该理论认为,一个火星大小的天体撞击了年轻的地球,而环绕行星周围的碎屑盘形成了月球。

主要挑战在于同时解释地球和月球的动态——尤其是月球轨道和地球上一天24小时中所包含的总角动量,以及协调两者诸多组成部分的相似之处和少数关键区别。“大碰撞”提供了所需的角动量,但撞击产生了很多碎片。众所周知,内太阳系中的大多数天体和地球的组成成分不同,如果陨落的天体和地球的成分完全不同,月球的构成为何与地球的外部成分如此相似?

直到,有一天,我发现了我的错误。我和我的学生在看快速自转大碰撞的资料。那天,我们其实并没有在想月球的问题,我们是在看那个行星。因为撞击的能量,那个星球变得超级热,且有部分已经蒸发。但那资料看起来并不像个行星。它看起来相当奇怪。这个行星和盘有着奇怪的连结。我有种超兴奋的感觉,当有非常不对劲的状况时,可能会有很有趣的发现。

该理论能解释有关月球的许多事,但它有一个巨大的瑕疵:它预言月球的大部分构成来自那个火星大小的行星,即地球和月球是由不同物质组成的。

月球和地球在构成上有明显不同。地核富含铁元素,占地球质量的30%。与此相反,铁只占月球质量的不足10%。月球中还缺乏诸如钾这类容易蒸发的元素,这可能是由于月球形成与“大碰撞”有关。

那天,我知道大碰撞产生出来的是全新的东西。我有过灵光一现的时刻。这个时刻并非其中之一。我真的不知道到底怎麽回事。我前面有著这个奇怪的新物体,面对着要试图搞懂它的挑战。当你面对未知时,该怎麽做?到底要如何开始?我们质疑一切:什么是行星?何时行星不再算是行星?我们开始玩新的想法。我们得要摆脱过去的思考方式,透过“玩”,我可以丢掉所有的资料、真实世界中的所有规则,解放我的大脑,让它去探索。我制造了一个心智空间,在那里,我可以尝试无法无天的想法,接着把这些想法 带回真实世界做测试,我能学习。透过“玩”,我们学了好多。我把我的实验室实验和电脑模型结合,发现在大部分大碰撞之后,地球都非常热,热到没有表面。只有一层很深层的气体,越深的地方密度越高。地球本来可能像木星一样。没有立足之地。

但这与我们的发现大相径庭。地球与月球其实像一对孪生子。行星的基因秘钥写在它们的元素同位素中,而地球与月球拥有相同的同位素。

20世纪70年代,对阿波罗系列任务带回的样本分析显示,月球和地球的硅酸盐地幔包含相同的同位素,这与火星及大部分小行星带的陨石成分大不相同。近年来,科学家发现了月球和地球越来越多的相似之处。构成月球和地球的铬、钛、钨和硅同位素似乎也是相同的。

那只是问题的一部分。我想要了解整个问题。我无法放手这个挑战,我想要想通在大碰撞中到底发生了什麽事。花了近两年时间,不断把旧想法丢弃,建立新想法,我们才了解了那些资料,搞懂那对月球的意涵是什麽。我发现了一种新的天文物体。它不是行星。它是由行星生成的。行星是一个天体,它自己的重力强到可以让它形成圆形的形状。它会形成一个整体一起自转。若让它更热,自转更快,赤道就会越来越大,直到达到临界点。若超过了临界点,赤道的材料会散佈成盘状。现在,它就打破了所有身为行星的规则。它不再能整体一起自转了。随著它越长越大,它的形状不断改变;

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美国宇航局重力恢复与内部实验室探测器对月球的重力观测和NASA月球勘测轨道飞行器的地形数据显示,月球的外壳厚度和其铝含量没有原先推测的那么高。这些观测结果表明,月球和地球所含的难熔元素同样丰富,而不是先前认为的月球比地球更丰富。

这个行星变成了某种新东西。我们把这项发现命名为:索内斯蒂亚。我们採用的是女神 Hestia 的名字,掌管炉灶和家庭的希腊女神,因为我们认为地球变成了这样的角色。字首 syn 意思是「全部一起」,强调所有材料之间的连结。当高热与自转速度将一个行星推过了圆球形的极限时,它就变成了索内斯蒂亚。索内斯蒂亚让我们有了一个新方法可以解决月球起源的问题。

这说明地球和月球是由相同物质构成的。

这些数据共同说明月球的形成有两种可能,一是剧烈碰撞发生后,飞离地球的物质(主要由硅酸盐地幔组成)形成了月球;二是月球和地球由硅酸盐构成的地幔和地壳分别由一个相同的混合物质构成。这两种形成过程都可能存在一些特殊情况。

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地球和月球竟然是孪生子?这太怪了。所有行星都由不同的物质构成,所以它们都有不同的同位素,它们的基因秘钥也不一样。没有任何其他行星天体有同样的基因关系。只有地球和月球是孪生子。

研究者通过模拟方法研究了月球是否由碰撞形成。因为大碰撞产生的能量很高,足以熔化甚至蒸发小行星,因此压力与相变被纳入模型之中。引力的相互作用及扭矩也是模型考量的因素。大碰撞将导致星球发生扭曲,并使其喷发的碎屑形成一种盘状天体。此外,地幔与地核所包含的物质也是模型的考量内容之一。

在我们的新理论中,大碰撞造成了一个索内斯蒂亚,而这个索内斯蒂亚 分开成了两个新天体,创造出我们的地球和月球, 且让它们拥有相同的同位素。在宇宙各处都有 索内斯蒂亚被创造出来。

科学家们最初认为“大碰撞理论”理论完全无法解释地球与月球之间的特殊关系。大家都在尝试找到新的想法。但问题是,没有什么更好的想法,所有其他的想法漏洞更大。因此,他们试图去拯救“大碰撞理论”。

目前最权威的撞击模型诞生于20世纪70年代,根据该模型的解释:一颗火星大小、质量约为地球的10%~15%的小行星缓慢地从侧面撞击了地球,月球因此而形成。

我们会了解这件事,是因为我们在我们的想像中找到它们:在我周遭的世界中,我还遗漏了什麽?有什麽是被我自己的假设给遮蔽了,让我无法看见?下次当你抬头看月亮时,别忘了:你认为你知道的事,也许会是发现惊人新事物的机会。

他们开始尝试改变大碰撞中的自转:也许将地球自转的速度提高后,岩屑盘可以混入更多物质,并解释月球的成因。

小行星的撞击使得地球自转速度变得极快,5小时便可自转一周,而此时月球的运行轨道距离地球很近。

选中火星大小的撞击物是因为它能够形成月球,并形成地球上一天的时长。

引力的相互作用及扭矩导致月球的运行轨道与地球渐行渐远,在这一过程之中,地球的自转速度也在变慢,最终定格为现在的每24小时自转一周。这一模型与月球的质量相吻合,也解释了地月系统中的角动量及月球缺乏铁元素的原因。

但是,倘若地球一天的时长是由其他因素导致的呢?那么,很多其他可能的大碰撞都有可能生成月球。

然而,该模型很难对更复杂的化学特性给出解释。撞击模型认为月球是在盘状天体冷凝后形成的,其物质组成主要源于撞击天体的地幔。但是,撞击物不大可能与早期地球具有相同的组成物质。例如,火星氧同位素的构成与地球氧同位素的构成相差50多倍。若撞击物与地球的差异和火星与地球的差异相同,那么即便经过一次大碰撞,这种差异仍然可以被探查到。

他们模拟了行星转速加快后的大碰撞实验,发现的确有可能产生与行星物质相同的岩屑盘,也许这可以解释月球起源。

对此,行星科学家Kaveh Pahlevan和David Stevenson于2007年提出了一个“优雅”的解释,即平衡理论。他们认为,从盘状天体和地球外部散发出的水蒸气相互混合,而这一过程发生在碰撞之后、月球形成之前。但这一提议有很多解释不通的地方。这些水蒸气要彻底完成扩散和混合至少需要100年的时间。

问题是,这种可能性极小,因为多数情况下,岩屑盘与行星的物质是不一样的,若如此形成了月球,看起来像是天文巧合。

月球内部可能含有来自撞击物的物质。虽然月球上的岩石没有显示出这样的特征,但这最多只能反映出月球内部几百公里深的情况。另一个难题在于:在撞击后的蒸发过程中,挥发性元素比难熔物质更易混合,而地球与月球氧和钛的成分却是相同的。

大家很难接受月球和地球的特殊关系仅仅是一个巧合。“大碰撞理论”依然无法解释月球的成因。

2012年,行星科学家Matija uk和Sarah Stewart拓展了月球形成的可能性。地球椭圆形的外形导致月球以椭圆形的轨迹围着地球运转。且随着轨道的延伸,月球公转的时长也在增加,这一过程也被称为岁差。他们证明,当月球与地球的岁差达到1年,与地球围绕太阳公转一周的时长一样时,月球与太阳之间会存在一种谐振状态,当这种谐振状态的持续时间足够长时,地球的自转速率便会被减半。

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uk和Stewart提出了“高速自转地球”的情境,一颗略小于火星的小行星与地球相撞,受谐振状态影响,地球的自转速度达到每2~2.5小时一周。由于地球的自转速度已经接近保持稳定的临界率,因此地幔的一部分被甩到轨道上,导致了盘状天体的形成。

直到有一天,他们发现在研究行星高速自转时大碰撞所产生的数据,通过在观察那个行星。因为碰撞所产生的能量,那个星球会变得超级热,并会部分蒸发。

同样也是在2012年,科学家曾提出“半地球撞击”设想。月球是由两颗星球的撞击形成的,每一颗星球的质量都相当于地球质量的一半。该模型比高速自转模型更简单,因为它不要求特定的前期作用。但该模型却需要体积更大的撞击物,因此比撞击说的可能性要低。

但数据显示,不像是行星,它看起来十分奇怪。行星以一种奇怪的方式与岩屑盘联结着。

月球起源研究正处于不断变化之中。现有碰撞模型都没有更引人注目的地方。各个领域的发展均需要将一些理论排除在外,最终将人们引入新的方向。

在所有的计算中,他们都假设行星被一个分离的岩屑盘所环绕。把计算岩屑盘的成分作为测试大碰撞是否生成月球的方法。但它看起来却不再那么简单,我们犯的错在于认为行星总是其终极状态的样子,直到那天,才意识到大碰撞创造出一种全新的天体。

一条线索可能指向金星。金星的质量及其与太阳间的距离同地球最相似,但是科学家还不清楚其同位素构成。如果金星的同位素与地球和月球相似,那么火星可能是另一个“异常者”,并且一个外来撞击者的成分与地球相似或许是可能的,这就将许多异议排除出权威撞击理论。不过,要确定金星的同位素构成可能需要一项新的空间任务。

于是科学家们开始质疑所有事情:什么才是行星?什么情况下,行星就不再是行星了?

《中国科学报》 (2013-12-12 第3版 国际)

各种脑洞大开的新想法开始出现,他们得摒弃旧的思考方式,因为“玩”的性质,可以忘却所有数据、扔掉所有现实中的条条框框、让他们的思想去自由地探索。

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当把实验与电脑模型结合起来,结果发现在多数大碰撞之后,地球会变得滚烫,没有地表。地球只有一层厚厚的气体,愈深密度愈高,这时的地球其实像木星一样,表面没有任何固体。

他们发现了一种新型天文物体,它不是行星,但它来自于行星。

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行星,是受强大自引力作用而呈球状的星体。它作为一个整体进行自转。温度越高,自转速度就越快,赤道会越变越大,直至到达临界点。

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一旦过了临界点,在赤道附近的物质会向外扩散形成岩屑盘,此时,它也不再遵循行星的所有规律。

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它再也无法自转,随着不断变大,其形状也会不断变化,行星变成了一种全新的天体。

科学家们给这个发现起了个名字:索内斯蒂亚,用女神赫斯提亚来命名它,她是古希腊神话中的家炉之神,因为我们认为地球就变成了这样的角色。

词首“syn”意味着“一起”,强调了所有物质之间的联结。当热量和转速将行星推越了球型天体的极限后,行星就变成了索内斯蒂亚。

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大碰撞带来的能量让地球表层、水、大气层、完全蒸发,在短短几小时中,所有的气体混合起来。

研究发现,许多大碰撞会产生索内斯蒂亚,但这些燃烧着的炽热天体寿命不长。它们会降温,缩小,并再次变回行星。在类似地球这样的岩石行星在成长过程中,可能会一次或数次变成索内斯蒂亚。

索内斯蒂亚为我们解决月球起源提供了新途径,我们提出,月球形成于一个巨型、气化的索内斯蒂亚内部。

月球形成于岩石蒸汽凝结而产生的岩浆雨。月球与地球间的特殊联系是因为月球形成于地球内部,那时,地球还是一个索内斯蒂亚。月球在索内斯蒂亚内部可能已公转了许久,但我们无法观察到它。而当索内斯蒂亚冷却缩小到月球公转轨道以内时,月球才出现在我们的视线中,只有经历了几百年的冷却后,索内斯蒂亚才会变成地球。

在现在的新理论中,大碰撞形成了索内斯蒂亚,而索内斯蒂亚分成两个新天体,就是同位素相同的地球与月球。

索内斯蒂亚在宇宙各处都在发生,通过想象他们的存在,我们才刚刚意识到这个现象:在我周围的世界中,我还遗漏了什么?我自己的臆测还妨碍我看到什么其他信息?

这就是科学研究“犯错误”的代价:当科学敢于诚实时,它就处于最佳状态。

下一次你赏月时,请记住:你认为自己知道的事,也许正是让你发现真正令人惊讶事情的好机会。

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