最後只剩月球，有多少衛星墜落到地球上？

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幾十年來，科學家們一直在思考地球是如何獲得它唯一衛星——月球的。儘管有些人認為它是由地球的離心力造成物質損失形成的，或者是被地球引力捕獲的，但最廣為接受的理論是，月球大約是在45億年前形成的，當時一個火星大小的天體(名為Theia)與原始地球(又稱「原地球」)相撞（大碰撞假說）。然而，由於原地球經歷了許多巨大的影響，因此，隨著時間的推移，預計會有幾顆衛星在軌道上形成。問題由此產生，這些衛星發生了什麼？

原地球與忒亞（Theia）之間的碰撞的概念圖，約發生在45億年前。圖片：NASA

提出這個問題，一支由國際科學家組成的團隊進行了一項研究，他們認為這些「小衛星」最終可能會回到地球，只留下我們今天看到這個月球。這項名為《衛星墜落：地球與它過去衛星之間的碰撞》的研究最近發表，目前正在接受皇家天文學會月報的審查。這項研究由以色列理工學院的博士後研究員Uri Malamud領導，包括來自德國Tubingen大學和維也納大學的成員。

馬拉默德博士和他的同事們考慮了如果地球在其最早形成中，經歷了與忒亞碰撞之前的多重巨大影響，將會發生什麼。每一種撞擊都有可能形成一顆小月球質量的「衛星」，它將與原地球相互作用，以及任何可能的預先形成的小衛星。最終，這將導致月球與月球的合併，月球被從地球軌道上彈射出來，或者月球降落到地球上。

最後，馬拉默德博士和他的同事們選擇了後一種可能性，因為科學家們之前並沒有對此進行過研究。更重要的是，這種可能性會對地球的地質歷史和演化產生巨大的影響。正如馬拉默德表明的：在目前對行星形成的理解中，地球行星生長的晚期是通過許多行星胚胎之間的巨大碰撞。這樣的碰撞會形成大量碎片，進而成為衛星。

正如我們在前幾篇論文中所建議和強調的那樣，考慮到這種碰撞的速率和衛星演化——多個衛星的存在以及它們之間相互作用導致月球的出現。這是當前行星形成理論固有的、不可避免的一部分。然而，由於地球是一個地質活躍的行星，由於其厚厚的大氣層導致了自然的風化和侵蝕，所以表面隨時間發生了劇烈的變化。因此，要確定發生在地球上最早時期的事件的影響是很困難的，即在46億年前由地球形成並在40億年前結束的冥古宙。

關於小行星或彗星攜帶水到原始地球的概念圖。圖片：Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

為了測試在這一過程中是否會發生多重撞擊，導致月球最終降落到地球上，研究小組進行了一系列平滑的粒子流體動力學模擬。他們還考慮了一系列的月球質量、碰撞撞擊角度和初始原始地球自轉速率。基本上，如果月球確實在過去墜落到地球上，它將改變原地球的自轉速率，導致其當前自轉周期為23小時56分，以及4.1秒。最後，他們發現證據表明：雖然大型天體的直接撞擊不太可能發生大量的潮汐碰撞。這些物質和碎片會被拋向大氣層，形成小的月球，然後相互作用。

馬拉默解釋說：然而我們的研究結果確實表明，在月球墜落的情況下，月球上的物質的分布並不在地球上，因此這種碰撞會導致不對稱和不均勻的成分。正如我們在論文中所討論的那樣，實際上有可能的證據表明，後者可能會解釋地球岩石中高度親鐵元素的同位素異質性。理論上，月球碰撞也可能產生地球上的大規模結構，推測這種效應可能有助於形成地球上最早的超級大陸。

然而，這相位更具有推測性，鑒於地球自早期以來的地質演化，很難直接確定。這項研究有效地擴展了當前和廣泛流行的巨大影響假說。根據這一理論，月球形成於太陽系誕生後的10億到1億年間。在這一時期的最後階段，這些行星(水星、金星、地球和火星)被認為主要是通過對大型行星胚胎的影響而發展起來。

藝術描繪兩個碰撞的岩態天體，這樣的碰撞是HD 131488系統中最可能產生熱塵埃的原因。圖片：Lynette Cook for Gemini Observatory/AURA

從那時起，月亮被認為是由相互地球和月球潮汐演化而來，它向外遷移到現在的位置，從那時起就一直在那裡。然而，這一範式並沒有考慮到發生在西亞和地球上唯一衛星形成之前的影響。因此，馬拉默德博士和他的同事們斷言，它與更廣泛的陸地行星形成圖景是沒有聯繫。通過考慮月球形成之前的潛在碰撞，科學家可以更完整地描繪出地球和月球是如何隨時間演化而來的。

這些發現也可能會影響到其他太陽行星和衛星的研究。正如馬拉默德所指出的，已經有令人信服的證據表明，大規模碰撞影響了行星和衛星的演化。在其他星球上，我們確實看到了巨大影響的證據，這些影響產生了行星尺度的地形特徵，比如所謂的火星二分法，也可能是Charon表面的二分法。它們必須從大規模的影響中產生，但要足夠小，才能產生亞全球的行星特徵。

月球是這些影響的自然祖先，但不能排除其他一些小行星的影響，因為它們可能產生類似的影響。在遙遠的將來也有可能發生這種碰撞。根據目前對其遷移的估計，火星的衛星火衛一最終將會撞擊地球表面。雖然與月球和月球在地球周圍產生的影響相比是微不足道的，但最終的碰撞卻直接證明了月球是在過去發生的，將來也會發生。

簡而言之，早期太陽系的歷史是劇烈和災難性的，由於強大碰撞產生了大量的創造。通過對這些影響事件如何影響類地行星演化的更完整的描述，我們可能會對如何形成生命的行星有新認識。這反過來又能幫助我們追蹤太陽系外的行星。

博科園-科學科普｜文：Matt Williams｜來自：Universe Today｜參考：arXiv

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