超級計算機模擬月球形成:44.5億年前,一顆火星大小的行星撞向地球

2021-01-15 澎湃新聞

大數據文摘出品

來源：dailymail

編譯：xt

月球從何而來？這一問題科學界給出過很多解釋。

一個新的超級計算機模擬研究顯示，月球可能是在45億年前地球與一顆叫做Theia的行星相撞形成的，這個行星和火星大小差不多，科學家們還模擬了其形成機制。

來自英國的科學家們生成了數種模擬情景的動畫展示，每一種代表了這顆「漫遊行星」 Theia在靠近地球過程中帶有不同自旋數的情況。

每個模擬描繪了從碰撞點散發出巖石碎屑的不同爆炸模式，爆炸散出的巖石可能最終就聚集形成了月球。

這些模擬的理論基礎是天文學家們通常說的「大飛濺」理論或者叫做「巨大衝擊假說」。

根據這一理論，這顆直徑約為3792英裡的Theia一頭扎進直徑7917英裡的地球，給我們的母星圍上一圈碎屑星環，最終這些碎屑逐漸演變成為月球。

學界認為這一事件發生在約44.5億年前，大概是太陽星形成後1.5億年——這也是解釋月球和其他巖石星體相比具有較大尺寸的普遍觀點。

上圖為「撞擊動畫」截圖，展示了Theia不帶自旋時的撞擊場景。這種情形和「無旋轉撞擊」相同，不過選取了一個不同的角度。

「通過模擬帶有不同自旋的Theia，甚至是不帶自旋的情況，我們獲得了早期地球被大型星體撞擊後歷經數十億年可能發生不同後果的一系列情況，」杜倫大學（Durham University）的研究學作者Sergio Ruiz-Bonilla說道。

令人振奮的是我們模擬中的一些結果中，軌道物質聚合的產物體積比月球略小，那麼再結合地球被撞擊後產生的環繞在地球一圈的額外物質，有助於聚合物體積隨著時間增大。

「我不會說這團聚合物就是月球，但這絕對是值得繼續探尋下去的有趣課題。」

杜倫大學的科學家們與格拉斯哥大學合作，在DiRAC高性能計算設施上運行了他們的超級計算模擬。

DiRAC的計算資源——其中包括大量的處理器、線材以及其他硬體設備，分布在包括杜倫大學在內的四所大學校址內。

研究者們在模擬中對可能源於撞擊並可能形成月球的巖石物質進行追蹤。

在模擬撞擊中，早期地球可能的演化情況取決於Theia初始自旋的速度和方向，實驗中模擬了不帶自旋到像「一顆撞球」一樣旋轉，包括順時針和逆時針的旋轉方向等不同情況。

其中一個極端條件是順時針最大自旋，這種條件下，撞擊使得兩顆星體合二為一了。

而沒有自旋的情形中，Theia的撞擊產生了一團具備自引力的聚合物質，其質量是月球的80%。

在此條件下添加少量的自旋，也能產出一個類似月球的星體。

模擬中這個聚合體將留在撞擊後地球的軌道上，並通過吞食地球周圍盤狀環繞的碎屑而增長。

和月球一樣，模擬出的聚合體也具有一個小型的鐵核，外層材料則源於早期地球和Theia。

杜倫大學的研究作者Vincent Eke博士介紹說：「根據是否在Theia撞進早期地球前引入自旋，我們獲得了一系列不同的模擬結果。」

不加入自旋或是引入少量自旋的情況最為引人入勝，撞入早期地球的Theia產生的碎屑在一定條件下聚集成為足以被稱為月球原型的大型星體。

「或許還有一些我們尚未研究過的撞擊可能，能夠讓我們更進一步理解月球最初形成的情況。」

儘管模擬計算並不能作為月球起源的決定性證據，但專家們認為模擬是我們在了解月球，這一我們最鄰近鄰居，其起源時充滿前景的研究階段。

今年三月份一項的研究宣告證明了「大飛濺」理論，該研究在月球巖石中發現了Theia的遺蹟。來自新墨西哥大學（University of New Mexico）的研究者們通過氧同位素手段檢測了由阿波羅號太空人帶回地球的月球巖石，得出此結論。

他們發現月球巖石和地球巖石中存在不同的氧同位素——氧同位素的種類是物質起源的指示之一，氧同位素的差異可能源於撞擊之後Theia的殘留物。

然而，五月份的一項研究則報導說在月球表面發現了碳的離子。

碳元素在巨大撞擊事件產生的極高溫度下理應會被完全汽化。

新研究的發現發表在《皇家天文學會月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上。研究團隊如今計劃進一步運行模擬，他們將通過變更質量、速度、撞擊物和被撞擊物的旋轉速率等參數，以探究這些條件對可能形成的月球產生什麼影響。

相關報導：

https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-9015061/Supercomputer-simulation-shows-Moon-formed.html

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原標題：《超級計算機模擬月球形成：44.5億年前，一顆火星大小的行星撞向地球》

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