皓月何以当空照，新说直指大碰撞 | Nature 论文推荐

我们地球的卫星月球是太阳系中非常独特的天体。现在，一项新的理论对月球的来源做出解释，并对原有的“大碰撞”理论提出挑战。研究结果 2016 年10月31日发表于《自然》杂志。

翻译：访冬

审校：卓思琪

月球勘测轨道飞行器于2009年6月拍摄的月球近地面的合成图像，可观察到月球这一侧深色的月海。

对于地球来说，月球作为卫星的体积有些太大了，而且除缺少很久以前逸散掉的易挥发性物质，地月在成分上几近相同。加利福尼亚大学戴维斯分校地球行星学教授、论文第一作者 Sarah Stewart 指出，这让月球在太阳系的主要天体中独树一帜。

目前，月球形成的教科书理论是“大碰撞”理论：在太阳系形成的晚期，一些行星大小的高温天体间会产生相互碰撞。其中，一个火星大小的天体撞上了当时的地球，并抛洒出了大量碎片。而这些碎片聚合形成了月球，其中大约60%来自撞击体。这一碰撞也塑造了地月系统的角动量，并让早期地球具有5小时的自转周期。千万年后，月球逐渐远离地球，地球的自转也逐渐减慢到今天的24小时。

 “大碰撞”理论是这样推演而出的：科学家们通过观察月球现在的运行轨道，计算在潮汐力作用下地月系统角动量的快速转移，再反推得到初始状态。

但是这种理论存在两个问题。其一，月球的化学构成与地球惊人相似，不符合“60%的组成来自撞击体”。其二，月球当前轨道与赤道倾斜交叉，如果月球由环绕地球赤道运行的一团物质聚集而来，那么它应该依然在地球赤道上空运转。这意味着月球的轨道形成还有其他的力量参与其中。原有大碰撞理论无法对此做出解释。

解释一切的另一种可能

加州山景城 SETI 研究所科学家Matija Ćuk、马里兰大学的 Douglas Hamilton 以及哈佛大学的 Simon Lock 共同提出了一种新模型，重新诠释了月球如何到了它现在所处的位置。

在“大碰撞“模型中，地球的初始倾角接近当前的23.5度（上图）。最开始，月球是在地球赤道平面内运行的；之后，月球轨道沿平滑的路径从赤道面向黄道面（地球围绕太阳运行的平面）过渡。而新模型假设：如果地球在碰撞过后的初始倾角更大（大约75度，下图），那么月球轨道从赤道面到黄道面的过渡则是剧烈波动的，导致沿黄道面出现较大摆动。下图符合当前月球轨道与黄道的5度夹角。

 Credit: Douglas Hamilton

早在2012年，Ćuk 和 Stewart 就提出，地月系统的一部分角动量可能转移到了日地系统中。由此可推测以开始时的大碰撞的能量可能更高。

在新模型中，高能碰撞导致原始地球大量的物质蒸发和融化。此外，模型中的地球的自转时间成为2小时一天，而自转轴朝向太阳。

由于大碰撞的能量更高了，撞击后原地球和撞击物混为一体，而月球和地球都源自这一整体，因此有相似的物质构成。

由于潮汐引力逐渐削弱了地月系统的角动量，月球逐渐远离地球。当它到达“拉普拉斯平面过渡点（La Placeplane transition）”时，地球对月球的引力开始小于了太阳对月球的引力。这造成了地月系统的一些角动量转移到日地系统中。

角动量的转移虽然并未对地球的轨道造成显著影响，但却把地球扶正了。因此新模型显示的月球轨道与赤道面的夹角更大。

之后的几千万年，月球继续缓慢而持续的远离地球，直到它到达第二个过渡点。在这里，月球轨道的倾角减小到5度左右，这便差不多与当前情况一致。

Stewart说道，“新理论中，最开始仅一次的大碰撞就能对月球轨道和化学构成做出完美的解释。因此，月球轨道的形成可以总结为——

一次大碰撞触发了一系列的事件。”

文章来源 http://phys.org/news/2016-10-theory-moon.html

查看更多分领域论文推荐，就到

www.keyanquan.net

也可提取下方二维码

---

论文信息

【题目】Tidal evolution of the Moon from a high-obliquity, high-angular-momentum Earth

【作者】Matija Ćuk et al,

【期刊】Nature

【日期】2016-NOV-17

【DOI】10.1038/nature19846

【论文摘要】

Inthe giant-impact hypothesis for lunar origin, the Moon accreted from anequatorial circum-terrestrial disk; however, the current lunar orbitalinclination of five degrees requires a subsequent dynamical process that isstill unclear1, 2, 3. In addition, the giant-impact theory has been challengedby the Moon’s unexpectedly Earth-like isotopic composition4, 5. Here we showthat tidal dissipation due to lunar obliquity was an important effect duringthe Moon’s tidal evolution, and the lunar inclination in the past must havebeen very large, defying theoretical explanations. We present a tidal evolutionmodel starting with the Moon in an equatorial orbit around an initially fast-spinning,high-obliquity Earth, which is a probable outcome of giant impacts. Usingnumerical modelling, we show that the solar perturbations on the Moon’s orbitnaturally induce a large lunar inclination and remove angular momentum from theEarth–Moon system. Our tidal evolution model supports recenthigh-angular-momentum, giant-impact scenarios to explain the Moon’s isotopiccomposition6, 7, 8 and provides a new pathway to reach Earth’s climaticallyfavourable low obliquity.

论文链接：http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7629/full/nature19846.html

阅读更多

▽ 故事

▽ 论文推荐

▽ 论文导读

内容合作请联系

[e-mail]

---

这里是“科学美国人”中文版《环球科学》服务科研人的微信号“科研圈”。我们：

· 关注科学进展与科研生态

· 推荐重要前沿研究

· 发布科研招聘

· 推送学术讲座与会议预告。

欢迎长按二维码关注。