分享本文至 E-mail 信箱
學術引用格式
MLA
APA
EndNote(.enw)

同位素資料支持月球大撞擊起源理論

美國華盛頓大學行星科學家Frédéric Moynier等人發現證據,證明月球的確是由火星大小的天體撞擊到早期地球而形成的暴烈過程。這項證據並不會令一般民眾感到敬畏,因為它們是月岩中微小的鋅同位素。不過,Moynier等人測出的鋅同位素含量極豐富,很可能是撞擊過程讓岩石蒸發成雲,而較重的鋅同位素比較新的鋅元素還快凝結,輕的鋅元素則在凝結之前變隨這團雲逸散到太空了。

從1970年代阿波羅任務從月球上將月岩帶回地球之後,科學家便曾嘗試尋找所謂的同位素分離作用(isotopic fractionation)來進行研究。月岩的化學組成與地球岩石類似,都缺乏易揮發物質(volatile)。之前利用猛烈撞擊可解釋此一缺失,另一月球起源理論則無法解釋這個現象。所謂的同位素,是指某種元素的原子核中具有不同中子數,使其同位素與元素本身的質量稍有不同。

月球的撞擊起源理論已提出30幾年了。按理來說,這個讓易揮發物質消失的造月撞擊事件,應該也會產生同位素分離;先前的同位素分離搜尋作業都一無所獲,導致撞擊起源說無法獲得確切的證明,也無法排除其他的月球起源理論。

Moynier表示:他們在月岩中測量出的同位素分離程度,約為地球岩石和火星岩石的10倍左右。這項差異甚為明顯而重要,因為這是繼發現月岩中缺乏易揮發物質的現象之後,科學家第一次有物理證據可以證明月球上曾經歷大規模蒸發事件。

根據科學家於1975年提出的大撞擊理論(Giant Impact Theory),月球是在地球形成早期時,一顆被稱為「忒伊亞(Theia)」的小行星與地球發生劇烈撞擊後的撞擊碎屑形成的。其中,希臘神話中,忒伊亞是月球女神(Selene)的母親。一般人可能很難想像這場撞擊的慘烈程度,不過與讓恐龍滅絕的那顆小行星僅約10公里左右(約比臺北市小)相比,可能就比較能理解直徑與火星相似(約6800公里)撞擊到地球可能引起的危害有多大。

這場劇烈撞擊不僅讓忒伊亞融化甚至蒸發,也讓原始的地球很大一部份的地函隨之融化蒸發。這些在撞擊過程中蒸發的岩石物質最終逐漸凝結而形成月球,另有一部份則落回地球。這個理論看起來似乎很奇怪,但電腦模擬顯示這樣劇烈的撞擊,的確可以產生現今所見的地月系統軌道狀態,且可以解釋月岩中缺乏易揮發物質的關鍵特徵。

一朝將真的月岩帶入實驗室中進行分析後,科學家很快地發現月岩中缺乏地質化學上所謂的中等揮發元素(moderately volatile element),包含鈉、鉀、鋅和鉛等。如果缺乏這些易揮發物質的確是因為在巨大撞擊期間蒸發的結果,那麼必定就會有同位素分離。

當岩石融化並蒸發時,比較輕的同位素進入蒸汽階段的速度會比較重的同位素快,所以基本上撞擊結束後,輕的同位素大多在蒸汽中,而重的同位素則會留在在固體殘餘中。一旦蒸汽消散,剩下的固體殘餘和原始物質相比之下,重同位素比例自然會比較高。道理說起來簡單,可是科學家就是找不到同位素分離的證據,直到Moynier等人的研究結果呈現在世人面前。

Moynier等人為排除其他可能造成同位素分離的原因,確定這種同位素分離的現象遍及整個月球,因此分析了阿波羅11, 12, 15, 17任務從月表不同地方帶回的20個月岩標本。這些標本收存於美國休士頓的詹森太空中心(Johnson Space Center)。由於阿波羅任務帶回的月岩數量並不豐富,Moynier等人得提出計畫書並說服負責管理月岩的委員會,才能取得所需的月岩樣本進行研究。Moynier等人分析的是月岩中的玄武岩部分,因為玄武岩是來自月球內部的岩漿冷卻而形成的,比較能代表月球內部真實的組成成分。下方照片是阿波羅任務帶回之第12021號標本的岩石薄片正交偏光影像。

不過,月球玄武岩的組成成分有差異,其中的鈦含量差異頗大。同位素也能在從液態逐漸凝固的過程中而被分離出來。雖然這種方式產生的效應很小,但仍須小心檢視以排除所有可能影響結果的因素,因此Moynier等人分析的樣本中同時包含了富鈦和貧鈦兩種化學成分極端的玄武岩,結果得出無論富鈦還是貧鈦,鋅同位素的比例都相同。

而為了做比較,他們分析的10個火星隕石標本。這些火星隕石有些是在南極洲採集到的,其他的則是田野博物館(Field Museum)、史密松研究所(Smithsonian Institution)和梵諦岡(Vatican)的收集品。如同地球一樣,火星岩石富含揮發性元素,岩石中含有豐富的鋅,所以只需一點點就足以測量出有無同位素分離,隕石標本因而比較容易取得。

分析結果,月岩中的鋅元素濃度與地球或火星岩石相較之下低很多,但重一點的鋅同位素的比例卻明顯的高多了。地球和火星所含的同位素成分與球粒隕石(chondritic meteorites)類似,可已呈現太陽系形成之初的原始塵埃氣體雲成分。這種差異最簡單的解釋,就是在月球形成之後的情況,比地球和火星更能讓更多揮發性元素逸散,也更能產生同位素分離作用。而月球物質的同位素同質性,則顯示月球上引發的同位素分離作用是大規模的過程,而不是區域性的。

給定上述線索後,最可能造成這些現象的大尺度事件,就是在月球形成過程中有大規模的融化。鋅同位素資料因而支持月球的大撞擊起源理論。不僅如此,這項研究工作同時也牽涉到地球起源,畢竟月球有很大一部份是來自地球。

如果少了月球的穩定影響,或許地球會和今日所見截然不同。行星科學家認為少了月球,地球的自轉速度會比現在快很多,一天的長度比現今短很多,天氣變化會比現今劇烈,氣候比現在更為混亂而極端。事實上,少了月球,地球可能變成一個嚴苛的世界,無法再成為像人類這樣的生物最喜歡的演化環境,想當然爾,也不會再有「人」在此討論月球的起源問題了。

資料來源:Moon was created in giant smashup. WU St. L [October 17, 2012]

轉載自 網路天文館

你的行動知識好友泛讀已全面上線

每天有成千上百則內容透過社群與通訊軟體朝你湧來,要從混雜著偽科學、假消息、純八卦的資訊中過濾出一瓢知識解渴,在這時代似乎變得越來越難?

為了滿足更多跟我們一樣熱愛知識與學習的夥伴,現在我們很害羞也很驕傲地宣布,手機閱讀平台——泛讀 PanRead iOS 版和「泛讀」Android 版都上架啦!使用後有任何心得或建議,都歡迎與我們分享喔

立即下載 優質知識不漏接

 

 

 

關於作者

臺北天文館

臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!