月球是怎么形成的?超级计算机可能刚刚找到答案,或颠覆以往认知,太阳是恒星还是行星

一项新的研究表明,月球可能是在一场灾难性的撞击后立即形成的,该撞击将地球的一大块撕裂并将其抛入太空。

自上世纪70 年代中期以来,天文学家一直认为,月球可能是一颗火星大小的古老行星与地球相碰撞所形成的,巨大的撞击产生了一个巨大的碎片场,我们的月球伙伴在数千年的时间里慢慢形成。

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但是,基于超级计算机的一项以比以往更高的分辨率进行的模拟研究结果显示,月球的形成可能并不是一个缓慢而渐进的过程,而是在短短几个小时内发生的。在10月4日发表在《天体物理学杂志快报》杂志上的一篇文章,向世人展示了这项最新的研究成果。

英国杜伦大学的计算宇宙学家介绍说,很难预测需要多少分辨率才能可靠地模拟这些剧烈而复杂的碰撞,直到发现进一步提高分辨率不再对答案产生影响时,说明这时候的分辨率已经符合了研究的需要。

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1969 年 7 月,阿波罗 11 号任务返回,当时美国宇航局宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林,将21公斤左右的月球岩石和土壤样本带回地球,科学家们第一次获得了月球诞生之后的第一个线索。通过对这些样本进行深入检测分析,科学家们判断,这些样本的历史可以追溯到大约45 亿年前,也就是太阳系形成之后约1.5亿年的“大动荡”时期。

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其他线索表明,我们最大的天然卫星月球,是由地球和一颗假想的行星之间的猛烈碰撞而诞生的,科学家们以神话中的希腊泰坦 Theia(月亮女神塞勒涅的母亲)命名这颗行星。这一证据包括月球和地球岩石成分的相似性;地球的自转和月球的轨道具有相似的方向;两个物体的高组合角动量;以及我们太阳系的某些地方存在碎片盘等等。

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但宇宙碰撞究竟是如何发生的还有待商榷。传统的假设表明,当忒伊亚与地球相撞时,巨大的破坏性撞击将忒伊亚粉碎成数百万块,将其变成漂浮的“瓦砾”。忒伊亚破碎的残骸,以及从我们年轻星球的地幔中撕裂出来的一些气化岩石和气体,慢慢混合成一个圆盘,月球的熔融球体在该圆盘周围凝聚并冷却了数百万年。

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然而,这种假想画面的某些部分,至今仍然难以捉摸。一个悬而未决的问题是,如果月球主要由忒伊亚构成,为什么它的许多岩石与地球上发现的岩石有着惊人的相似之处?一些科学家认为,地球上蒸发的岩石比忒伊亚的粉碎残余物更多地进入了月球,但这个想法会衍生出一个新的问题,那就是,为什么其他模型表明主要由地球碎裂的岩石组成的月球,会有一个与我们目前看到的截然不同的轨道。

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为了研究碰撞后月球形成的不同可能情景,参与这项新研究的科学家们,转向了一个名为 SPH 的计算机程序,该程序具有相互依赖的细粒度任务,该程序旨在密切模拟复杂且不断变化的万有引力网络以及作用于大量物质的流体动力。为了达到研究的目的,科学家们使用了一台超级计算机来运行该程序,即杜伦大学分布式研究利用先进计算设施的一个名为 COSMA(“宇宙学机器”的缩写)的系统。

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通过使用 COSMA 系统,科学家们模拟了数百次地球与忒伊亚碰撞的情景,其中角度、旋转和速度这三个参数各不相同,然后在不同情景之下演算出碰撞的结果,而决定结果精度的一项重要指标就是模拟所采用的分辨率,即由模拟使用的粒子数量决定。对于这个巨大的影响,标准模拟分辨率通常在 100,000 到 100 万个粒子之间,但在这项新研究中,研究团队能够模拟多达 1 亿个粒子。这样做的好处很显然,那就是能够研究出更多的细节,就像使用更大的望远镜,拍摄到遥远行星或星系的更高分辨率图像,能够发现新的细节一样。

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在数百次的模拟研究中,更高分辨率的模拟为研究人员留下了一个“不一样”的月球,它在几个小时内从地球喷出的巨量物质和忒伊亚的碎片中形成,这个模拟结果为月球的可见特性提供了另外的答案,并且与现有对月球观测的一些参数非常吻合,比如月球倾斜的轨道、部分熔融的内部结构以及薄薄的月壳。

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那么,对于这个模拟结果的验证,最终需要检查从月球表面深处挖掘出的岩石和尘埃样本,这也成为美国宇航局未来阿尔忒弥斯任务、我国嫦娥后续探月工程的重点任务。正如参与这项研究的科学家介绍,来自月球表面的更多样本,可能非常有助于对月球的组成和演化做出新的和更自信的发现。

也就是说,以后我们人类从月球上获取的样本越多,就越能帮助人类排除月球形成的更多可能性,缩小月球和地球的实际历史,最终留下的几种可能性就越接近历史的真相。

#头条创作挑战赛#

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