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月球是怎麼形成的?超級計算機可能剛剛找到答案,或顛覆以往認知

网瘾少女 2022/10/25

一項新的研究表明,月球可能是在一場災難性的撞擊后立即形成的,該撞擊將地球的一大塊撕裂并將其拋入太空。

自上世紀70 年代中期以來,天文學家一直認為,月球可能是一顆火星大小的古老行星與地球相碰撞所形成的,巨大的撞擊產生了一個巨大的碎片場,我們的月球伙伴在數千年的時間里慢慢形成。

但是,基于超級計算機的一項以比以往更高的分辨率進行的模擬研究結果顯示,月球的形成可能并不是一個緩慢而漸進的過程,而是在短短幾個小時內發生的。在10月4日發表在《天體物理學雜志快報》雜志上的一篇文章,向世人展示了這項最新的研究成果。

英國杜倫大學的計算宇宙學家介紹說,很難預測需要多少分辨率才能可靠地模擬這些劇烈而復雜的碰撞,直到發現進一步提高分辨率不再對答案產生影響時,說明這時候的分辨率已經符合了研究的需要。

1969 年 7 月,阿波羅 11 號任務返回,當時美國宇航局宇航員尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林,將21公斤左右的月球巖石和土壤樣本帶回地球,科學家們第一次獲得了月球誕生之后的第一個線索。通過對這些樣本進行深入檢測分析,科學家們判斷,這些樣本的歷史可以追溯到大約45 億年前,也就是太陽系形成之后約1.5億年的「大動蕩」時期。

其他線索表明,我們最大的天然衛星月球,是由地球和一顆假想的行星之間的猛烈碰撞而誕生的,科學家們以神話中的希臘泰坦 Theia(月亮女神塞勒涅的母親)命名這顆行星。這一證據包括月球和地球巖石成分的相似性;地球的自轉和月球的軌道具有相似的方向;兩個物體的高組合角動量;以及我們太陽系的某些地方存在碎片盤等等。

但宇宙碰撞究竟是如何發生的還有待商榷。傳統的假設表明,當忒伊亞與地球相撞時,巨大的破壞性撞擊將忒伊亞粉碎成數百萬塊,將其變成漂浮的「瓦礫」。忒伊亞破碎的殘骸,以及從我們年輕星球的地幔中撕裂出來的一些氣化巖石和氣體,慢慢混合成一個圓盤,月球的熔融球體在該圓盤周圍凝聚并冷卻了數百萬年。

然而,這種假想畫面的某些部分,至今仍然難以捉摸。一個懸而未決的問題是,如果月球主要由忒伊亞構成,為什麼它的許多巖石與地球上發現的巖石有著驚人的相似之處?一些科學家認為,地球上蒸發的巖石比忒伊亞的粉碎殘余物更多地進入了月球,但這個想法會衍生出一個新的問題,那就是,為什麼其他模型表明主要由地球碎裂的巖石組成的月球,會有一個與我們目前看到的截然不同的軌道。

為了研究碰撞后月球形成的不同可能情景,參與這項新研究的科學家們,轉向了一個名為 SPH 的計算機程序,該程序具有相互依賴的細粒度任務,該程序旨在密切模擬復雜且不斷變化的萬有引力網絡以及作用于大量物質的流體動力。為了達到研究的目的,科學家們使用了一台超級計算機來運行該程序,即杜倫大學分布式研究利用先進計算設施的一個名為 COSMA(「宇宙學機器」的縮寫)的系統。

通過使用 COSMA 系統,科學家們模擬了數百次地球與忒伊亞碰撞的情景,其中角度、旋轉和速度這三個參數各不相同,然后在不同情景之下演算出碰撞的結果,而決定結果精度的一項重要指標就是模擬所采用的分辨率,即由模擬使用的粒子數量決定。對于這個巨大的影響,標準模擬分辨率通常在 100,000 到 100 萬個粒子之間,但在這項新研究中,研究團隊能夠模擬多達 1 億個粒子。這樣做的好處很顯然,那就是能夠研究出更多的細節,就像使用更大的望遠鏡,拍攝到遙遠行星或星系的更高分辨率圖像,能夠發現新的細節一樣。

在數百次的模擬研究中,更高分辨率的模擬為研究人員留下了一個「不一樣」的月球,它在幾個小時內從地球噴出的巨量物質和忒伊亞的碎片中形成,這個模擬結果為月球的可見特性提供了另外的答案,并且與現有對月球觀測的一些參數非常吻合,比如月球傾斜的軌道、部分熔融的內部結構以及薄薄的月殼。

那麼,對于這個模擬結果的驗證,最終需要檢查從月球表面深處挖掘出的巖石和塵埃樣本,這也成為美國宇航局未來阿爾忒彌斯任務、中國嫦娥后續探月工程的重點任務。正如參與這項研究的科學家介紹,來自月球表面的更多樣本,可能非常有助于對月球的組成和演化做出新的和更自信的發現。

也就是說,以后我們人類從月球上獲取的樣本越多,就越能幫助人類排除月球形成的更多可能性,縮小月球和地球的實際歷史,最終留下的幾種可能性就越接近歷史的真相。

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