改變命運的撞擊

在早期太陽系中，一個名為忒伊亞（Theia）的小型原行星與原地球發(fā)生了劇烈碰撞。這次的驚天撞擊改變了地球的大小、組成和軌道。更重要的是，碰撞所產(chǎn)生的碎片最終形成了月球，而忒伊亞的物質(zhì)也混入了月球與地球本身。

然而，忒伊亞究竟有多大？它是由什么組成的？它又是從太陽系的哪一部分急速撞向地球的？這些問題至今沒有確切的答案，因為忒伊亞已經(jīng)在撞擊中被完全摧毀。

現(xiàn)在，在一項于近期發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的研究中，一個國際研究團隊以前所未有的精度，測量了來自月球、地球以及隕石樣品中的鐵同位素比例，推斷出了忒伊亞的可能“成分清單”，進而推斷出忒伊亞可能形成于內(nèi)太陽系，位置與地球相近，但可能更靠近太陽一些。

行星的逆向工程

眾所周知，同位素是同一元素的不同版本，它們的區(qū)別在于原子核中的中子數(shù)不同。一些金屬元素的同位素比例在行星科學(xué)中極具指示性。例如，在孕育了太陽和原行星盤的那片分子云中，這些金屬元素的同位素比例就會隨著與中心距離的變化而呈現(xiàn)差異。因此，當(dāng)時仍在成長的那些行星體，是由不同區(qū)域的物質(zhì)聚集而成的——這些物質(zhì)因為距離太陽的遠近不同，而擁有各自不同的同位素組成。如此一來，行星體的同位素組成就保存了其原始構(gòu)成物的“來源信息”。

在這項新的研究中，研究團隊總共分析了15塊地球巖石，以及6份由阿波羅任務(wù)帶回的月球樣本。得出的結(jié)果并不意外：正如此前對鉻、鈣、鈦和鋯同位素比例的測量所顯示的那樣，地球與月球在這方面幾乎沒有區(qū)別。

然而，這種巨大的相似性并不能促使研究人員對忒伊亞做出任何直接的推論。因為存在太多可能的撞擊情境。盡管多數(shù)模型認為，月球幾乎完全是由忒伊亞的物質(zhì)構(gòu)成的，但也有可能月球主要由早期地球的地幔構(gòu)成，又或者說地球與忒伊亞的巖石已經(jīng)不可分地混合在了一起。

為了更深入了解忒伊亞，研究團隊采用了一種“行星逆向工程”法。他們不依賴于模擬不同撞擊場景的復(fù)雜計算模型，而是把重點放在地球和月球巖石的同位素組合上：研究團隊根據(jù)現(xiàn)如今的地球與月球巖石相同的同位素比例，去反推忒伊亞需要有著怎樣的大小與成分，以及早期地球需要有著怎樣的成分，才能夠產(chǎn)生這樣的最終結(jié)果。

他們不僅分析了鐵同位素，還分析了鉻、鉬和鋯的同位素。這些不同元素揭示了行星形成過程中的不同階段。

忒伊亞帶來了什么？

但要如何區(qū)分哪些物質(zhì)原本就存在于原地球，哪些是由忒伊亞帶來的呢？

在與忒伊亞發(fā)生毀滅性相撞之前，原地球的內(nèi)部已經(jīng)經(jīng)歷過一種“分選”過程。隨著鐵核的形成，鐵、鉬等元素聚集到地核中；它們在后來的巖質(zhì)地幔中幾乎是缺席的。因此，在如今的地幔中發(fā)現(xiàn)的鐵，只可能是在地核形成之后才到達的——例如，是由忒伊亞帶來的。所以，這種無處不在、被人類用來制造工具、船只和橋梁的金屬，很可能主要源自忒伊亞。

另一種元素鋯則極具穩(wěn)定性，幾乎不會發(fā)生變化。它在地幔中存在的時間與地球本身一樣久，而且不會沉入地核。因此，鋯記錄的不是某個時間段，而是地球形成的整個歷史軌跡。

研究人員利用這些不同的“信息載體”，來計算忒伊亞的組成及其物質(zhì)混合的比例，并進一步追溯了這些物質(zhì)是形成于早期氣體與塵埃盤中的哪一部分。研究結(jié)果顯示，忒伊亞物質(zhì)的同位素比例與地球明顯不同——因此，它們“并非源自地球”，即便混入了今日地球的物質(zhì)中，仍可被辨認出來。

隕石檔案

不過，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的推演，地球與忒伊亞在相撞前仍可能有多種不同的成分組合。但其中一些情景可信度并不高，因為它們與隕石分析所揭示的早期行星形成規(guī)律不相符。

落到地球上可供分析的那些隕石，其年齡與太陽系本身一樣古老。它們能讓我們得以窺見行星與其他天體形成的早期年代。因此，隕石可作為早地球與忒伊亞形成時可用物質(zhì)的參考樣本。根據(jù)不同的同位素比例，這些隕石被劃分為不同的類別：有些來自行星形成盤的內(nèi)側(cè)區(qū)域，有些則來自外側(cè)區(qū)域。

研究團隊推斷出的忒伊亞同位素比例，與地球已知構(gòu)成材料都不匹配。通過與各類隕石對比，研究人員得出結(jié)論：忒伊亞必定來自早期的內(nèi)太陽系，其形成位置甚至可能比地球當(dāng)前軌道更靠近太陽。也就是說，地球和忒伊亞很可能原本就是“鄰居”。

這項研究不僅讓我們更加理解了忒伊亞與地球的起源，也讓再次我們深刻地意識到早期太陽系的混亂與暴力。而破壞往往也孕育著創(chuàng)造：正是45億年前的那場巨撞，塑造了如今的地球與月球。

#參考來源：

https://www.mpg.de/25743917/theia-and-earth-were-neighbors

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado0623MPS /

#圖片來源：

封面圖&首圖：Mark A. Garlick