作者:卜金婷 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/12/9 20:18:38
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中国学者提出大胆假说,回答这一困扰学界多年的谜题

 

文|卜金婷

近日,中国科学院上海天文台副研究员邓洪平与美国加州理工学院博士后袁迁等人在Nature上发表论文,揭秘了地球内部深处巨大异常体的来源。

邓洪平用一句话向《中国科学报》介绍了这项研究的内容:“地球童年时期受到了大撞击,可能至今内部都存在该撞击体的残留物。”

“就这么简单?”

“就这么简单!”

邓洪平在欧洲南方天文台(ESO)慕尼黑总部作报告

困扰科学家许久:月球从何而来?

月球是地球的卫星,也是距离地球最近的天体。千百年来,人类为了这个抬头可见的神秘存在,从未停止探索的步伐。但月球从何而来?这个谜题困扰了一代又一代的科学家。

邓洪平提到的“大撞击”假说就是回答这个问题的主流学说:45亿年前,一颗火星大小的原行星Theia撞上了初生的地球Gaia,月球就是由撞出去的碎片逐渐聚合生长而来。这次碰撞所蕴含的能量约为导致恐龙灭绝的小天体撞击事件的一亿倍以上,它重塑了年轻的地球,而且可能在地球地幔中留下了深刻的印记。

这种假说不仅可以很好地解释月球的动力学性质和其独特的物质组成,还能与类地行星的碰撞生长理论相契合。

然而科学家们通过对阿波罗月球样品的高精度同位素分析,发现地表物质和月球的成分高度相似,但大撞击模拟中月球成分由“天外来客”Theia主导,理应与地球成分有一定差异。

这一矛盾的根源是碰撞中两个星体不能充分混合。

2017年,邓洪平在瑞士苏黎世大学攻读天体物理博士期间,从同事Christian Reinhardt那里了解到这一问题,开始尝试用新的方法模拟这一过程的物质混合情况。

“大碰撞模拟中广泛应用了光滑粒子流体动力学方法,但其具有较高的数值粘度,并不擅长模拟亚声速的湍流和其引起的物质混合。”邓洪平介绍,尽管这一缺陷已成为计算天体物理领域的共识,但在行星科学领域并未引起重视,对旧方法的优化和新方法的开发均停滞不前。

邓洪平等人开发了新的无格点计算流体力学方法,可以更为有效地捕捉微弱湍流带来的物质混合。然而,他们却未能如愿地将Gaia和Theia均匀混合。撞击过程中,Theia的物质总是倾向于“漂浮”在Gaia的上半层,无法大量向下沉入Gaia的深部地幔,同时Gaia的上半层由于剧烈升温,形成熔融的岩浆洋。

这导致碰撞后的地球地幔呈现分层结构:其中上地幔为岩浆洋,由Gaia和Theia充分混合而成,而下地幔则基本为固态,并主要保留了Gaia的物质成分。

在和瑞士苏黎世联邦理工大学的地球物理学家讨论后,研究团队得出了一个惊人的结论:45亿年前形成的地幔分层可能在地幔中仍留有痕迹,同时,分层演化的地幔模型可以更好地解释地表物质和月球成分的相似性。

一种可能的地幔演化的模式。图片来源:Frédéric Deschamps/Nature Geoscience.

邓洪平说:“如果Gaia和Theia完全混合,我们便很难有机会将两者区分开,研究它们各自的性质。而这一有趣的分层结构如果能够以某些形式保存下来,将为我们研究月球的形成,甚至地球的演化提供重要机会。”

2019年,邓洪平等人将论文投到Nature,经历一年多磨人的审稿最后不幸被拒了。随后,他们又将论文投到知名的天文学期刊The Astrophysical Journal(APJ),很快顺利见刊。

这一试图串联天文和地学的“跨界”论文一开始并未引发太多关注,却吸引了另一位合作者——袁迁。

袁迁

跨学科合作形成完美的闭环

20世纪80年代,地球科学家们发现地幔底部存在两个巨大的异常区域,当地震波穿过它们时,波速明显降低。因此这两块在地幔底部绵延几千公里的异常体通常被称为大型低速体。尽管大多数地球科学家认为这两个区域可能由于相对富含铁而具有更高的密度,但目前仍然不清楚是什么过程形成了这两个异常区。

2019年,在美国亚利桑那州立大学的一次研讨会上,有位教授对月球形成的“大撞击”假说提出了质疑:撞击体Theia真的存在吗?为什么没有人找到Theia存在的证据?

正是这个提问让袁迁灵光一现:“难道大型低速体就是Theia的残余?”

会后,袁迁查阅了相关资料,发现还没有人提出过类似的假说。随后,他与亚利桑那州立大学的博士导师李明明教授合作,从地球动力学的角度去验证这一猜想。他们的结果支持该猜想,但需要假设在“大撞击”后地球地幔没有完全熔化,而之前的大多数相关论文由于算法和分辨率的问题,都认为这次撞击基本导致了地幔的全部熔化。

正在这个时候,袁迁看到了邓洪平最新的APJ论文,其中描述了“大撞击”后地球的分层现象,这正是他苦苦寻找的证据。

于是,袁迁邀请邓洪平共同探索大碰撞后进入地球深部的Theia物质。在此之前,这些进入地球深部的Theia物质一直被邓洪平忽视,之后二者的合作如鱼得水,完美地形成了研究的闭环。

令人惊喜的是,通过深入分析之前的大碰撞模拟、开展更高精度的新模拟,研究团队发现与大型低速体质量相当的Theia物质会进入到Gaia的下地幔。邓洪平进一步邀请了计算天体物理专家Jacob Kegerreis用传统的光滑粒子流体动力学方法证实了这一结论。

现今地幔深部的异质体或为导致月球形成的大碰撞事件遗迹 图源:邓洪平和杭州思斐迩科技有限公司

此外,研究团队还演算出这些Theia地幔物质与月球岩石一样富集铁元素,所以比周围Gaia物质密度更高,因此快速下沉至地幔底部,并在地幔的长期对流作用下形成两个显著的大型低速体,历经45亿年的地质演化仍稳定存在在核幔边界之上。

这一次,他们的论文被Nature成功接收,并且还被选为封面文章。邓洪平说:“得益于地球物理学家、地球化学家和天体物理学家的通力合作,我们可以将地月系统的形成和演化融入到整个内太阳系类地行星形成的框架中,甚至为理解系外地球的形成和宜居性提供启发。”

自由的氛围让他们敢想敢做!

“今人不见古时月,今月曾经照古人。”45亿年前的天崩地裂早已隐入尘烟,难寻踪迹。然而,科学家们丰富的想象力和运算力可以突破时空限制,带领我们探索深埋地底的远古遗迹。

之前邓洪平主要从事天体物理研究,对地球演化的知识所知甚少,只是因为偶然的机会被同事带入了月球形成的研究中。

但幸运的是,他通过电子邮件联系到的专家,都愿意与这个普通研究生认真去探讨那些天马行空的想法。而后来与袁迁的合作,也是从一封来自陌生人的邮件开始的。

这也是整个研究过程中,最让邓洪平感触深刻的部分:当青年学者提出想法并寻求合作的时候,大家并不觉得疯狂,自由宽松的科研氛围让他们敢想敢做!

论文的发表并不是结束。邓洪平、袁迁等人的探索还在继续,为了进一步充实这些理论或者验证它们。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06589-1

 
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