地球金星“兩兄弟”在碰撞中成長

　　據(jù)美國亞利桑那大學(xué)最新消息，該校與德國科學(xué)家合作的一項(xiàng)新研究表明，行星的形成過程可能比大多數(shù)科學(xué)家愿意承認(rèn)的還要復(fù)雜和混亂。如今整齊、獨(dú)特的球形行星是由起伏不平的小行星和迷你行星組成的漩渦云形成的。

　　這些發(fā)現(xiàn)對傳統(tǒng)觀點(diǎn)提出了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，較小的天體之間的碰撞會導(dǎo)致它們黏在一起，隨著時(shí)間推移不斷碰撞，吸收新的物質(zhì)，形成成長的小星球。

　　相反，兩位作者提出并證明了一種新的“碰撞-逃逸-返回”場景。在這種場景中，行星形成前的天體在穿越太陽系內(nèi)部的大部分旅程中都在相互撞擊和反彈。在第一次碰撞時(shí)，它們的速度減慢了，下一次碰撞時(shí)它們更有可能粘在一起。就像一場臺球游戲，球漸漸靜止。

　　9月23日發(fā)表在《行星科學(xué)雜志》的兩項(xiàng)論文，其中一篇關(guān)注金星和地球，另一篇則關(guān)注月球。根據(jù)該校行星科學(xué)教授Erik Asphaug的說法，這兩篇論文的核心聚焦一個(gè)很大程度上沒有被認(rèn)識到的觀點(diǎn)，即單獨(dú)天體撞擊并不會形成科學(xué)家認(rèn)為的有效合并。

　　“我們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)天體撞擊，即使是相對‘慢’的撞擊，都是撞了就跑。這意味著，如果兩顆行星要合并，通常首先必須在碰撞后逃逸的過程中讓它們減速?！鞍炎矒?，比如月球的形成，看作一個(gè)單獨(dú)的事件可能是錯(cuò)誤的。更有可能是連續(xù)兩次碰撞?！?/p>

　　其中的一個(gè)暗示是，盡管金星和地球在太陽系內(nèi)部是近鄰，但它們的成長過程有非常不同的經(jīng)歷。這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)年輕的地球會減緩行星的速度，最終使它們更有可能與金星相撞并粘附在金星上。“我們認(rèn)為，在太陽系形成期間，早期的地球充當(dāng)了金星的先鋒?！闭撐牡谝患嫱ㄓ嵶髡?、德國路德維希-馬克西米利安-慕尼黑大學(xué)的Alexandre Emsenhuber說。

　　太陽系就是科學(xué)家所說的“重力井”，游客將硬幣扔進(jìn)漏斗形的重力井中，然后看著硬幣繞軌道運(yùn)行幾圈，落入重力井中心。行星離太陽越近，其引力就越強(qiáng)。這就是為什么研究關(guān)注的太陽系內(nèi)的行星水星、金星、地球和火星，繞太陽的軌道比木星、土星和海王星等要快。因此，一個(gè)物體離太陽越近，就越有可能停留在那里。

　　Asphaug解釋說，當(dāng)一顆闖入地球的行星撞擊地球時(shí)，它不太可能粘附在地球上，反而更有可能最終落在金星上?！暗厍蚓拖褚粋€(gè)盾牌，為抵御這些行星的沖擊提供了第一站?！彼f，“更有可能的是，一顆從地球上彈回來的行星會撞擊金星并與之合并?！?/p>

　　Emsenhuber用球從樓梯上跳下來的類比來說明“先鋒效應(yīng)”：太陽系外的天體就像一個(gè)球從一組樓梯上跳下來，每一次反彈都代表著與另一個(gè)物體的碰撞。

　　“在這個(gè)過程中，球失去了能量，你會發(fā)現(xiàn)它只能向下彈跳，而不是向上彈跳?！彼f，“因此，這個(gè)天體再也不能離開太陽系內(nèi)部了。同理，你通常只會下樓朝金星方向走，而與金星相撞的天體會停在太陽系內(nèi)部，在某個(gè)時(shí)候它會再次撞擊金星。”

　　地球沒有這樣的先鋒隊(duì)來減緩行星的速度。作者認(rèn)為，這導(dǎo)致了傳統(tǒng)理論無法解釋的兩顆大小相似的行星之間的差異。

　　“普遍的觀點(diǎn)是，如果行星發(fā)生碰撞，但沒有立即合并，這并不重要，因?yàn)樗鼈儠谀硞€(gè)點(diǎn)再次相撞，然后合并?！盓msenhuber說，“但這并不是我們的發(fā)現(xiàn)。我們發(fā)現(xiàn)它們會更頻繁地成為金星的一部分，而不是返回地球。從地球到金星要比反過來容易得多?！?/p>

　　為了追蹤這些行星軌道和碰撞，以及最終它們的合并，該團(tuán)隊(duì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)，從天體碰撞的3D模擬中獲得預(yù)測模型。該團(tuán)隊(duì)隨后利用這些數(shù)據(jù)快速計(jì)算軌道演化，包括碰撞后逃逸和合并碰撞，模擬1億年的類地行星形成過程。

　　在第二篇論文中，作者提出并論證了他們的“撞擊-逃逸-返回”的月球形成方案，認(rèn)識到標(biāo)準(zhǔn)天體撞擊模型的主要問題。

　　“相對而言，月球的標(biāo)準(zhǔn)模型需要非常緩慢的碰撞?！盇sphaug說，“它創(chuàng)造的月球主要是由撞擊行星組成的，而不是原始地球，這是一個(gè)主要問題，因?yàn)樵虑虻耐凰鼗瘜W(xué)成分幾乎與地球相同?！?/p>

　　該小組設(shè)想，一個(gè)大約火星大小的原行星撞擊地球，就像在標(biāo)準(zhǔn)模型中那樣，但速度稍微快一些，所以它會繼續(xù)前進(jìn)。它會在約100萬年后返回一個(gè)看起來很像標(biāo)準(zhǔn)模型的巨大撞擊。“兩次碰撞比一次碰撞混合的東西多得多，這可以解釋地球和月球在同位素上的相似性，也可以解釋第二次緩慢的合并碰撞是如何發(fā)生的。”Asphaug說。

　　研究人員認(rèn)為，由此產(chǎn)生的行星組合方式的不對稱性為未來研究類地行星多樣性指明了方向。例如，為什么地球有著比金星強(qiáng)得多的磁場，為什么金星沒有衛(wèi)星。

　　“在我們看來，地球的大部分物質(zhì)都是由于正面碰撞而吸積的，或者比金星的速度慢?！彼f，“更傾斜、速度更快的撞擊會優(yōu)先發(fā)生在金星上?！?/p>

　　這將產(chǎn)生一種偏差，例如，來自外太陽系的原行星，在較高的速度下，會優(yōu)先吸積到金星而不是地球。簡而言之，金星可能是由地球更難獲得的物質(zhì)組成的。“你可能會認(rèn)為地球是由更多的外太陽系物質(zhì)組成的，因?yàn)樗冉鹦歉咏馓栂?。但?shí)際上，有了地球的先鋒作用，金星實(shí)際上更有可能吸積太陽系外的物質(zhì)?！?Asphaug說。

　　相關(guān)論文信息：

　　https://doi.org/10.3847/PSJ/ac19b1

　　https://doi.org/10.3847/PSJ/ac19b2