几十年来，科学家们一直在思考地球是如何获得它唯一卫星——月球的。尽管有些人认为它是由地球的离心力造成物质损失形成的，或者是被地球引力捕获的，但最广为接受的理论是，月球大约是在45亿年前形成的，当时一个火星大小的天体(名为Theia)与原始地球(又称“原地球”)相撞（大碰撞假说）。然而，由于原地球经历了许多巨大的影响，因此，随着时间的推移，预计会有几颗卫星在轨道上形成。问题由此产生，这些卫星发生了什么？
原地球与忒亚（Theia）之间的碰撞的概念图，约发生在45亿年前。图片：NASA
提出这个问题，一支由国际科学家组成的团队进行了一项研究，他们认为这些“小卫星”最终可能会回到地球，只留下我们今天看到这个月球。这项名为《卫星坠落：地球与它过去卫星之间的碰撞》的研究最近发表，目前正在接受皇家天文学会月报的审查。这项研究由以色列理工学院的博士后研究员Uri Malamud领导，包括来自德国Tubingen大学和维也纳大学的成员。
马拉默德博士和他的同事们考虑了如果地球在其最早形成中，经历了与忒亚碰撞之前的多重巨大影响，将会发生什么。每一种撞击都有可能形成一颗小月球质量的“卫星”，它将与原地球相互作用，以及任何可能的预先形成的小卫星。最终，这将导致月球与月球的合并，月球被从地球轨道上弹射出来，或者月球降落到地球上。
最后，马拉默德博士和他的同事们选择了后一种可能性，因为科学家们之前并没有对此进行过研究。更重要的是，这种可能性会对地球的地质历史和演化产生巨大的影响。正如马拉默德表明的：在目前对行星形成的理解中，地球行星生长的晚期是通过许多行星胚胎之间的巨大碰撞。这样的碰撞会形成大量碎片，进而成为卫星。
正如我们在前几篇论文中所建议和强调的那样，考虑到这种碰撞的速率和卫星演化——多个卫星的存在以及它们之间相互作用导致月球的出现。这是当前行星形成理论固有的、不可避免的一部分。然而，由于地球是一个地质活跃的行星，由于其厚厚的大气层导致了自然的风化和侵蚀，所以表面随时间发生了剧烈的变化。因此，要确定发生在地球上最早时期的事件的影响是很困难的，即在46亿年前由地球形成并在40亿年前结束的冥古宙。
关于小行星或彗星携带水到原始地球的概念图。图片：Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
为了测试在这一过程中是否会发生多重撞击，导致月球最终降落到地球上，研究小组进行了一系列平滑的粒子流体动力学模拟。他们还考虑了一系列的月球质量、碰撞撞击角度和初始原始地球自转速率。基本上，如果月球确实在过去坠落到地球上，它将改变原地球的自转速率，导致其当前自转周期为23小时56分，以及4.1秒。最后，他们发现证据表明：虽然大型天体的直接撞击不太可能发生大量的潮汐碰撞。这些物质和碎片会被抛向大气层，形成小的月球，然后相互作用。
马拉默解释说：然而我们的研究结果确实表明，在月球坠落的情况下，月球上的物质的分布并不在地球上，因此这种碰撞会导致不对称和不均匀的成分。正如我们在论文中所讨论的那样，实际上有可能的证据表明，后者可能会解释地球岩石中高度亲铁元素的同位素异质性。理论上，月球碰撞也可能产生地球上的大规模结构，推测这种效应可能有助于形成地球上最早的超级大陆。
然而，这相位更具有推测性，鉴于地球自早期以来的地质演化，很难直接确定。这项研究有效地扩展了当前和广泛流行的巨大影响假说。根据这一理论，月球形成于太阳系诞生后的10亿到1亿年间。在这一时期的最后阶段，这些行星(水星、金星、地球和火星)被认为主要是通过对大型行星胚胎的影响而发展起来。
艺术描绘两个碰撞的岩态天体，这样的碰撞是HD 131488系统中最可能产生热尘埃的原因。图片：Lynette Cook for Gemini Observatory/AURA
从那时起，月亮被认为是由相互地球和月球潮汐演化而来，它向外迁移到现在的位置，从那时起就一直在那里。然而，这一范式并没有考虑到发生在西亚和地球上唯一卫星形成之前的影响。因此，马拉默德博士和他的同事们断言，它与更广泛的陆地行星形成图景是没有联系。通过考虑月球形成之前的潜在碰撞，科学家可以更完整地描绘出地球和月球是如何随时间演化而来的。
这些发现也可能会影响到其他太阳行星和卫星的研究。正如马拉默德所指出的，已经有令人信服的证据表明，大规模碰撞影响了行星和卫星的演化。在其他星球上，我们确实看到了巨大影响的证据，这些影响产生了行星尺度的地形特征，比如所谓的火星二分法，也可能是Charon表面的二分法。它们必须从大规模的影响中产生，但要足够小，才能产生亚全球的行星特征。
月球是这些影响的自然祖先，但不能排除其他一些小行星的影响，因为它们可能产生类似的影响。在遥远的将来也有可能发生这种碰撞。根据目前对其迁移的估计，火星的卫星火卫一最终将会撞击地球表面。虽然与月球和月球在地球周围产生的影响相比是微不足道的，但最终的碰撞却直接证明了月球是在过去发生的，将来也会发生。
简而言之，早期太阳系的历史是剧烈和灾难性的，由于强大碰撞产生了大量的创造。通过对这些影响事件如何影响类地行星演化的更完整的描述，我们可能会对如何形成生命的行星有新认识。这反过来又能帮助我们追踪太阳系外的行星。
博科园-科学科普｜文：Matt Williams｜来自：Universe Today｜参考：arXiv
