撰文：本·特纳                     2022年10月6日

模拟显示，月球是由西娅的残骸和地球部分喷出的地幔碎片形成的。

图片：Jacob Kegerreis博士

一项新的研究表明，月球可能是在一次灾难性的撞击后立即形成的，撞击撕裂了一大块地球并将其抛向太空。

自20世纪70年代中期以来，天文学家一直认为，月球可能是由地球与一颗名为西娅的古代火星大小的原行星碰撞而成；巨大的撞击可能会产生一个巨大的碎片场，数千年来，我们的月球同伴就是从这个碎片场慢慢形成的。

但是，基于超级计算机以前所未有的高分辨率进行模拟的一项新假设表明，月球的形成可能并不是一个缓慢而渐进的过程，而是在短短几个小时内完成的。科学家们在10月4日的《天体物理学杂志快报》上，发表了他们的发现。

英国达勒姆大学计算机宇宙学家雅各布·凯格瑞斯告诉《生活科学》：“我们所了解到的是，很难预测要可靠地模拟这些剧烈复杂的碰撞，需要多大的分辨率，你只需继续测试，直到你发现分辨率的进一步提高，不再对你得到的答案产生影响。”

1969年7月，美国国家航空航天局宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林，将47.6磅（21.6公斤）的月球岩石和尘埃带回地球，科学家们在阿波罗11号任务返回后，获得了关于月球形成的第一条线索。这些样本的年代约为45亿年前，将月球的形成置于太阳系形成后约1.5亿年的动荡时期。

其他线索表明，我们最大的天然卫星，是由地球与一颗假想的行星发生剧烈碰撞而诞生的，科学家以希腊神话中的泰坦西娅命名，西娅是月亮女神赛琳娜的母亲。这一证据包括月球岩石和地球岩石成分的相似性；地球的旋转和月球的轨道具有相似的方向；两个天体的高联合角动量；以及太阳系其他地方存在的碎屑盘。

但宇宙碰撞到底是如何发生的还有待讨论。传统的假设表明，当西娅撞入地球时，行星破碎的冲击力将西娅粉碎成数百万碎屑，使其变成漂浮的碎石。西娅破碎的遗骸，连同一些蒸发的岩石和从我们年轻星球地幔中分离出来的气体，慢慢地混合成一个圆盘，在这个圆盘周围，月球的熔融球体在数百万年中凝聚并冷却。

然而，这幅图景的某些部分仍然难以捉摸。一个悬而未决的问题是，如果月球主要由西娅构成，为什么月球上的许多岩石，与地球上发现的岩石有惊人的相似之处？一些科学家认为，地球蒸发的岩石比西娅粉碎的残骸更多地用于制造月球，但这一想法也提出了自己的问题，例如为什么其他模型认为，一个主要由崩解的地球岩石组成的月球，其轨道与我们今天看到的月球有着巨大的不同。

为了研究碰撞后月球形成的不同可能场景，新研究的作者求助于一个名为SPH With Inter-dependent Fine grained Tasking（SWIFT）的计算机程序，该程序旨在密切模拟作用于大量物质的、复杂且不断变化的重力和水动力网络。准确地做到这一点并不是一项简单的计算任务，因此科学家们使用了一台超级计算机来运行该程序：一个昵称为COSMA（简称“宇宙学机器”）的系统，位于达拉谟大学的分布式研究，利用先进的计算设施（DiRAC）。

通过使用COSMA模拟数百次不同角度、自旋和速度的地球-西娅碰撞，月球探查人员能够以比以往任何时候都高的分辨率，模拟天文碰撞的后果。这些模拟中的分辨率，由模拟使用的粒子数设置。据凯格瑞斯称，对于巨大的撞击，标准模拟分辨率通常在10万到100万个粒子之间，但在新的研究中，他和他的同事们能够模拟多达1亿个粒子。

凯格瑞斯说：“通过更高的分辨率，我们可以研究更多的细节，就像更大的望远镜如何让你拍摄，遥远行星或星系的更高分辨率图像来发现新的细节一样。”

“其次，也许更重要的是，在模拟中使用太低的分辨率可能会给你带来误导，甚至是错误的答案，”他补充道。“你可以想象，如果你用玩具积木制作一辆模型汽车，以模拟汽车在碰撞中可能会如何断裂，那么如果你只使用几十块积木，它可能会从中间完全断裂。但如果使用几千块或一百万块，那么你可能会开始以更真实的方式使它压皱和断裂。”

更高分辨率的模拟为研究人员留下了一个月球，它是在几个小时内由地球抛出的大块碎片和西娅碎片形成的，提供了单阶段形成理论，为月球的可见特性提供了一个清晰而优雅的答案，如其宽阔、倾斜的轨道；其内部部分熔融；和薄薄的外壳。

然而，研究人员必须检查从月球深处挖掘的岩石和尘埃样本，这是NASA未来阿耳特弥斯任务的目标，然后才能确定其地幔的混合情况。

凯格瑞斯说：“从月球表面采集更多的样本，可能会极大地有助于对月球的组成和演化，做出新的、更有信心的发现，然后我们可以追溯到像我们这样的模型模拟。”“像这样的任务和研究以及其他许多任务和研究，稳步帮助我们排除更多的可能性，缩小月球和地球的实际历史范围，并更多地了解行星是如何在整个太阳系和太阳系之外形成的。

这样的调查也可以揭示，地球是如何形成并成为生命庇护所的。

研究合著者、达拉谟大学物理学副教授文森特·埃克在一份声明中说：“我们对月球的形成过程了解得越多，我们就越能发现地球的演化。”“它们的历史交织在一起，可能会在其他行星，因类似或非常不同的碰撞而改变的故事中得到回应。”