传统观点认为,月球大约在43.5亿至45.1亿年前形成。然而,近期发表在《自然》杂志上的一项研究提出了新的观点。来自不同领域的三位科学家从各自的专业视角出发,重新探讨了月球的形成时间。
他们的分析结果表明,月球的真实年龄可能比传统认为的更为久远。这一发现为月球的起源与演化提供了全新的视角,或将改变我们对月球早期历史的认知。
月球是如何形成的?
20世纪80年代末,在夏威夷召开的一个科学会议上,科学家们提出了一种广为接受的理论,解释了月球的起源。这一理论称为“大碰撞假说”,认为一个火星大小的天体(忒伊亚)与早期地球发生剧烈碰撞,巨大的冲击力将熔融的物质抛入太空。这些炽热的、发光的物质逐渐聚集,最终形成了今天的月球。
这一假说不仅形象地描述了月球的起源,还解释了它的一些独特特征。例如,由于月球起始于高温熔融状态,因此它几乎没有易挥发的物质(如水)。此外,月球的铁核非常小,因为它主要是由地球外层的物质形成,而地球外层的铁含量较低。月球表面还覆盖着一层白色的月壳,这是由熔融月球逐渐凝固时漂浮到表面的矿物质构成的。
最初,发着光的、新形成的月球距离地球非常近,大约与电视卫星绕地球轨道运行的距离相当。早期地球本身基本上就是熔融且快速旋转的,早期月球会在地球上掀起巨大的潮汐。
这些潮汐从地球的自转中汲取能量,将其转移到月球的轨道上,推动月球逐渐远离地球,同时减缓了地球的自转速度。这一过程至今仍在继续——月球每年仍以约5厘米的速度远离地球。
描绘了月球在潮汐加热事件期间的艺术构象图。到处都有剧烈的火山活动。早期的地球在天空中显得很大,因为它们相距更近。(图/MPS / Alexey Chizhik)
当月球远离地球时,它的轨道会经过一些特定的位置点,在这些地方会出现短暂的轨道摄动。科学家通过研究这些轨道摄动,进一步验证了这一假说,并揭示了月球形成和演化的历史。
月球何时形成?
确定月球的确切形成时间,以及它是在何时远离地球的,一直是一个复杂的问题。
科学家们试图通过分析从月球采集的岩石样本来揭示它的年龄。最古老的月球岩石大约有43.5亿年的历史,比太阳系的诞生晚了约2亿年。许多地球化学家认为,这些岩石的年龄应该直接反映了月球的形成时间。
然而,并非所有科学家都认同这一观点。例如,行星形成领域的一些理论模型表明,在太阳系形成后的头2亿年内,行星就已经清除了围绕在太阳周围的绝大部分物质。在这样的时间框架内,像岩石样本显示的那样晚期的巨大撞击,似乎不太可能发生。
新的观点
这正是新研究的切入点。研究人员跟进了2016年一项关于月球的研究,那项研究提出,月球在逐渐远离地球的过程中,可能经历过极端的加热事件。
这种加热方式与木卫一(木星的一颗卫星)的加热机制极为相似。在木星的强大潮汐作用下,木卫一被挤压和拉伸,其内部升温,并导致了剧烈的火山活动,使其成为太阳系内火山活动最活跃的天体之一。同样的,月球在地球潮汐力作用下,可能也经历了类似的内部加热过程。这就像橡皮球被反复挤压会变热一样,这种潮汐加热可能导致月球内部的岩石显著升温。
所有岩石都含有微小的“内部时钟”——通过放射性元素的衰变可以测定其年龄。但如果月球经历了足够强烈的潮汐加热事件,这些“时钟”可能会被重置,只有在岩石重新冷却后才会再次开始记录时间。
因此,测定为43.5亿年的月球岩石,可能仅仅反映了月球经历潮汐加热事件的时间,而非它的实际形成时间。这意味着月球的诞生时间必然更早!
月球开始是熔融的,然后冷却下来,大约1亿年后才重新加热。这次加热事件可能重置了由月球岩石记录的年龄。(图/Nimmo et al. / Nature)
更早的形成时间不仅符合行星形成理论物理学家的假设,同时也能解释从岩石记录中推测出的更晚的年龄。这种年龄差可以通过潮汐加热过程来解释,潮汐加热导致了岩石时钟的重置,从而使得这些岩石所记录的年龄偏晚。
未来的探索方向
正如科学界常见的情况一样,两个研究小组同时提出了类似的观点。刊登在《自然》上的这项研究认为,潮汐加热事件发生在月球距离地球较远时;而来自亚利桑那州立大学的一个研究小组则认为,这一过程发生在月球距离地球较近时。
要确定哪个假设是正确的,或者推翻这两种假设,仍需要更多时间和研究。验证这些假设需要从月球采集更多的样本。幸运的是,中国的嫦娥六号任务在2024年6月成功带回了月球背面的样本。如果这些样本的岩石年龄仍显示出约43.5亿年的数据,将支持这一研究的结论;如果年龄更大,则可能需要提出新的理论。
在地球和行星科学中,地球化学家和地球物理学家常常提出截然不同甚至互相矛盾的假说,部分原因在于它们使用不同的测量方法和科学语言。克服这种语言障碍非常具有挑战性。这项新的研究展示了如何弥合语言和学科之间的鸿沟,让不同领域的科学家受益。
原文:Francis Nimmo
编译:不二北斗
排版:雯雯
https://theconversation.com/the-moon-might-be-older-than-scientists-previously-thought-a-new-study-shines-light-on-its-history-246085
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08231-0
封面图&首图:NASA
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