月球岩石揭示了地球早期歷史的不同圖像,月球起源理論遭質疑

2018年04月12日     890     檢舉

上圖:類似這幅藝術想像圖的一次碰撞可能創造了地球和月球,但新的研究在重塑我們對這個事件的理解。

上圖:人們認為這些隕石,例如碳質球粒隕石將水輸送到了地球——但一個突出的問題是什麼時候輸送的。一項新的研究表明水在地球增長的早期就出現了。

直到大約十年前,科學家一直都認為他們對於月球和地球如何實現共存有著清晰的理解。隨後更精確的測量打破了這個觀念,科學家仍然在努力地對其進行調和。

作為這項工作的一部分,一個包括芝加哥大學宇宙學家尼可拉斯·多法斯(Nicolas Dauphas)在內的研究團隊進行了到目前為止最大規模的對月球岩石中氧同位素的研究,並且發現了月球和地球在組成上存在著微小但可測量的差異。

發表在《科學進展》的研究提出,地球在其增長的主要階段獲得了大部分水——這與主流理論相悖。

最廣為接受的月球起源理論推測,一個巨型天體以恰到好處的速度撞入原始地球,兩個天體部分碎裂形成了月球。地球有一小部分月球的成分,月球有更大部分的地球成分,但它們應該是很不相同的天體。早期的測量有很多是芝加哥大學的地球化學家羅伯特·克萊頓進行的。這些測量的精度不足以把月球和地球區分開來。

多法斯說,但在過去十年的研究表明,這個理論不太對。元素可以有不同的形式,稱為同位素。這些同位素給了科學家有關岩石起源的線索。隨著測量同位素方法的進步,科學家發現了月球和地球之間驚人的相似性。這是月球形成主流理論的一個問題,被稱為「月球同位素丰度危機」,因為太陽系中隨便兩個天體的同位素丰度不太可能完全相同。

「這在我看來是現代行星科學中最吸引人的問題之一,」多法斯說。他是恩里科·費米研究所地球物理科學部的教授以及起源實驗室的領導人。

解釋地球和月球同位素丰度相符合的一個理論是,原始地球被一次或多次巨大撞擊而完全汽化了,它和月球就是從汽化了的雲團中形成的。但其中一個重大的不確定性是,對於月球和地球岩石的氧同位素丰度之間有多大差異,科學家們得出了不同結論。

為尋求澄清這個問題,研究者以極高的精度測量了月球和地球岩石的氧同位素丰度。他們發現了這兩個天體的同位素丰度之間存在著一個非常小但可測出的差異。

為解釋這種相近的匹配性,研究者把目光轉向了水。一個流行的理論是地球在巨大撞擊之後獲得了絕大多數的水分,因為含有冰層的很多天體撞擊了地球。在這方面有一個術語,即後增薄層(late veneer),意指水是在地球完成增長後以薄層(veneer)的形式被帶到地球的。

但是如果地球的大部分水是由後來的隕石所帶來的,那麼地球和月球的同位素丰度差異應該比研究者測量的要大——因為含水的隕石有不同尋常的氧同位素混合比。他們的模型表明,地球上的水只有大約百分之五到百分之三十的是由撞擊地球的隕石帶來的。

多法斯指出,這個理解仍然在發展之中,因為根據測量的元素的不同,我們可能會發現月球和地球之間的差異。「氧、鈦、鎢——這些仍然是讓我們夜不能寐的元素,」他說。

多法斯說,有幾方面的原因使得行星如何獲得水這個問題很有意思,包括搜尋可能有水的遙遠系外行星並進而搜索類似的生命。