巨大的碰撞，會降低行星內部的壓力！比如曾經被撞慘了的地球

2020-10-18 博科園

加州理工學院的一項新研究表明，巨大撞擊可以極大地降低行星的內部壓力，這一發現可能會顯著改變目前行星形成的模式。這些撞擊，例如被認為在大約45億年前導致地球衛星月球形成的撞擊，可能會導致內核和地幔壓力的隨機波動，這將解釋地球地幔中一些令人費解的地球化學特徵。以前的研究，錯誤地假設行星內部壓力僅僅是行星質量的函數，因此它隨著行星的增長而不斷增加。

新研究表明，在巨大撞擊後，壓力可以暫時改變，隨著撞擊後星體的恢復，壓力會隨著時間的延長而增加。在發表在《科學進步》期刊上研究主要作者，加州理工大學博士後研究員西蒙·洛克(Simon Lock)說表示：這一發現對地球的化學結構和隨後演化有重大影響。行星系統通常從一個塵埃圓盤開始，慢慢地堆積成巖石物體。這個過程的主要階段結束是行星大小物體之間的高能碰撞，因為它們聚集在一起形成最終的行星。

這些撞擊的衝擊能量可以蒸發行星大部分，甚至，就像人們認為形成月球的撞擊所發生那樣，將兩個碰撞的物體暫時變成一個旋轉行星物質圓環，稱為「synestia」，隨後冷卻回一個或多個球形物體。研究人員使用巨型撞擊和行星結構的計算模型來模擬形成質量在0.9到1.1地球質量之間天體的碰撞，並發現在碰撞之後，內部壓力比預期的要低得多。研究發現，壓力的下降是由於多種因素的結合：碰撞帶來的快速旋轉。

旋轉產生了離心力，本質上是將物質推離自旋軸；以及熱的，部分低密度蒸發物體。還沒有直接觀測到類地行星的形成，事實證明，行星的物理性質在因碰撞而增長的過程中可能會發生巨大變化。對行星形成的新觀點比以前模型更加多變和充滿活力，這為對以前的數據進行新解釋打開了大門。最終的結果是，巨大撞擊可以顯著降低行星內部壓力，形成月球的撞擊之後，壓力可能是今天地球壓力的一半。如果是真的，這一發現可能有助於調和地球地幔的地球化學和行星形成物理模型之間長期存在的矛盾。

隨著原生地球的成長，與之碰撞的每一個物體都將金屬送入地幔。每次撞擊後，金屬都會從地幔中吸收少量其他元素，然後隨著這些元素一起下沉到地核。溶解在金屬中每一種元素的量，部分地由地球的內部壓力決定。因此，今天地幔的化學成分記錄了行星形成過程中的地幔壓力。今天對地球地幔中金屬的研究表明，這種吸收過程發生在今天地幔中部發現的壓力下。然而，巨大撞擊的模型顯示，這種撞擊融化了大部分地幔，因此地幔應該記錄了更高的壓力，相當於現在看到核心上的壓力。

地球化學觀測和物理模型之間的這種異常，是科學家們長期尋求解釋的一個問題。通過顯示巨大撞擊後壓力比之前認為的要低，本研究可能已經找到了解決這個難題的物理機制，接下來研究人員計劃使用結果來計算在形成過程中壓力的隨機變化如何影響行星化學結構。同時還將繼續研究行星如何從巨大撞擊的創傷中恢復過來，隨著行星的恢復，行星的壓力會急劇增加，但這對地幔如何凝固或地球第一個地殼是如何形成，有什麼影響？這是一個有待探索的全新領域。

博科園｜研究/來自：加州理工學院

參考期刊《科學進展》

DOI: 10.1126/sciadv.aav3746

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