月亮你从哪里来?月亮形成的新线索!关键就在陨石中?

月球作为一颗绕地球运行的卫星,并没有和太阳系的其他行星一起形成。目前最受欢迎的月球起源说是所谓的大碰撞。今年九月,在中秋节即将到临之际,科学家在月球陨石中找到了来自地球内部的原生惰性气体,为大碰撞事件的始末提供了全新的线索。

大碰撞起源:月球是从地球分出去的?

大碰撞学说认为月球是地球遭到撞击的产物。

一颗与火星差不多大的天体和古代地球斜向碰撞,把地球撞得团团转的同时,撞击产生的巨大能量也将大量地壳与地函物质融化、蒸发、向外喷出。这些残骸碎屑绕着地球高速旋转,形成一个甜甜圈状的云状区域。月亮便是由这团高温物质互相吸引聚集而成。

听起来或许十分异想天开,但这个猜想可是经历了许多实证考验。

首先,一个最简单的观察是:现今月球公转的和地球自转方向一致。这是擦撞过程中「甩」出去的残骸形成月球会有的现象。据我们所知,月球的公转方向和转速自形成后,便没有太大改变。大碰撞学说通过了第一关!

在化学成分方面,同位素比例提供了有力的证据。同位素比例是指某种元素的同位素(例如氧元素可以分为氧16、氧17、氧18)在物质中各占多少比例。这些同位素形成稳定的化合物后便不会变动,因此成为科学家追本溯源的重要工具。

也因此在天体地质研究中,地层中的同位素比例是每颗星体独一无二的指纹,太阳系中每颗星体都有相当不同的氧同位素比例。然而,在20世纪初,科学家们检查了阿波罗13号带回的月球岩石样本。其中,氧同位素的比例与地球完全相同,强力暗示月球物质与地球有着神圣不可分割的渊源。

除此之外,许多地质证据显示月球在形成初期,表面是高温的熔融态,符合大碰撞的说法。类似的撞击事件也曾经在其他星系被观测到。

六个月球陨石,可能解开月球原生惰性气体之谜

如今,月球物质是来自古代地球这件事已被广为接受,但详细的形成过程究竟是如何,仍持续随着观测证据的增加而不断地修正讨论。目前的一个疑点是挥发性物质的存在。

大碰撞时的高温理应让大部分的挥发性物质(例如水和二氧化碳)挥发殆尽,但在月球深处的原始岩层中找到的水样本,和地球地函中的水有同样的氢同位素指纹,表示这些水或许是原生的,在撞击形成时便一直留存至今,而不是来自外部的陨石。

要研究挥发性物质的源头,氦或氖这类的惰性气体的同位素指纹,便是重要的追踪工具,可惜我们一直未能在月球矿物中找到惰性气体。由于月球大气层十分稀薄,外来的小行星以及富含氢氦原子的太阳风持续轰炸月球表面。想对原生惰性气体进行研究,还得先排除这些外来污染的可能。

苏黎世联邦理工学院的Patrizia Will 所带领的研究团队,以南极拾获的六个月球陨石作为研究对象。这六颗陨石皆为玄武岩材质;也就是说,它们是由月球内部的岩浆快速凝结而成。形成后,它们受到更上层的岩层保护,免于宇宙射线和太阳风的高能辐射。这六块岩石很可能是在某次大型陨石撞击中,才从月球的岩浆流中被撞击而出,并在漫长的旅途后抵达地球。

要取得陨石的同位素指纹资讯,需要用到质谱仪。这份研究使用的质谱仪灵敏度极高。实验室人员曾经为了防止外界振动干扰,将它悬挂在天花板上,并为它取名为Tom Dooley。Tom Dooley 是美国内战时期民谣中因谋杀被判处绞刑的人物。

尽管取名的来由十分诡谲,但是这座Tom Dooley 质谱仪威力十足。它是世界上唯一能够测量如此微量惰性气体的仪器,也曾负责分析一颗默奇森陨石,它是世界上最古老的物质,存在于70亿年前。

研究团队将陨石中的黑色玻璃微粒用Tom Dooley 进行分析,尝试找出当中各种同位素的比例。它们在玻璃微粒中发现了存量远高于预期的氦和氖。从岩石的形成历史以及同位素特征中,他们排除了太阳风或小行星污染的可能,而氖同位素的比例则和地球地函的深处不谋而合。

这些证据表示这些惰性气体是直接来自地球的地函。这是首次在月球内部矿物中发现地球原生的惰性气体,研究结果发表在Science Advances期刊中。

这次的发现为大碰撞学说再添一笔证据。往后的研究将继续挑战较难测量的氪和氙元素,以及其他容易挥发的卤素元素等等,借此追踪挥发性物质在月球形成的历史中,究竟是如何存活下来。

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更新时间:2024-08-18

标签:陨石   质谱仪   太阳风   惰性气体   同位素   挥发性   月亮   月球   线索   物质   比例   地球   关键

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