中國學者提出大膽假説，回答這一困擾學界多年的謎題_風聞

來源：中國科學網文｜卜金婷

近日，中國科學院上海天文台副研究員鄧洪平與美國加州理工學院博士後袁遷等人在Nature上發表論文，揭秘了地球內部深處巨大異常體的來源。

鄧洪平用一句話向《中國科學報》介紹了這項研究的內容：“地球童年時期受到了大撞擊，可能至今內部都存在該撞擊體的殘留物。”

“就這麼簡單？”

“就這麼簡單！”

鄧洪平在歐洲南方天文台（ESO）慕尼黑總部作報告

困擾科學家許久：月球從何而來？

月球是地球的衞星，也是距離地球最近的天體。千百年來，人類為了這個抬頭可見的神秘存在，從未停止探索的步伐。但月球從何而來？這個謎題困擾了一代又一代的科學家。

鄧洪平提到的“大撞擊”假説就是回答這個問題的主流學説：45億年前，一顆火星大小的原行星Theia撞上了初生的地球Gaia，月球就是由撞出去的碎片逐漸聚合生長而來。這次碰撞所藴含的能量約為導致恐龍滅絕的小天體撞擊事件的一億倍以上，它重塑了年輕的地球，而且可能在地球地幔中留下了深刻的印記。

這種假説不僅可以很好地解釋月球的動力學性質和其獨特的物質組成，還能與類地行星的碰撞生長理論相契合。

然而科學家們通過對阿波羅月球樣品的高精度同位素分析，發現地表物質和月球的成分高度相似，但大撞擊模擬中月球成分由“天外來客”Theia主導，理應與地球成分有一定差異。

這一矛盾的根源是碰撞中兩個星體不能充分混合。

2017年，鄧洪平在瑞士蘇黎世大學攻讀天體物理博士期間，從同事Christian Reinhardt那裏瞭解到這一問題，開始嘗試用新的方法模擬這一過程的物質混合情況。

“大碰撞模擬中廣泛應用了光滑粒子流體動力學方法，但其具有較高的數值粘度，並不擅長模擬亞聲速的湍流和其引起的物質混合。”鄧洪平介紹，儘管這一缺陷已成為計算天體物理領域的共識，但在行星科學領域並未引起重視，對舊方法的優化和新方法的開發均停滯不前。

鄧洪平等人開發了新的無格點計算流體力學方法，可以更為有效地捕捉微弱湍流帶來的物質混合。然而，他們卻未能如願地將Gaia和Theia均勻混合。撞擊過程中，Theia的物質總是傾向於“漂浮”在Gaia的上半層，無法大量向下沉入Gaia的深部地幔，同時Gaia的上半層由於劇烈升温，形成熔融的岩漿洋。

這導致碰撞後的地球地幔呈現分層結構：其中上地幔為岩漿洋，由Gaia和Theia充分混合而成，而下地幔則基本為固態，並主要保留了Gaia的物質成分。

在和瑞士蘇黎世聯邦理工大學的地球物理學家討論後，研究團隊得出了一個驚人的結論：45億年前形成的地幔分層可能在地幔中仍留有痕跡，同時，分層演化的地幔模型可以更好地解釋地表物質和月球成分的相似性。

一種可能的地幔演化的模式。圖片來源：Frédéric Deschamps/Nature Geoscience.

鄧洪平説：“如果Gaia和Theia完全混合，我們便很難有機會將兩者區分開，研究它們各自的性質。而這一有趣的分層結構如果能夠以某些形式保存下來，將為我們研究月球的形成，甚至地球的演化提供重要機會。”

2019年，鄧洪平等人將論文投到Nature，經歷一年多磨人的審稿最後不幸被拒了。隨後，他們又將論文投到知名的天文學期刊The Astrophysical Journal（APJ），很快順利見刊。

這一試圖串聯天文和地學的“跨界”論文一開始並未引發太多關注，卻吸引了另一位合作者——袁遷。

袁遷

跨學科合作形成完美的閉環

20世紀80年代，地球科學家們發現地幔底部存在兩個巨大的異常區域，當地震波穿過它們時，波速明顯降低。因此這兩塊在地幔底部綿延幾千公里的異常體通常被稱為大型低速體。儘管大多數地球科學家認為這兩個區域可能由於相對富含鐵而具有更高的密度，但目前仍然不清楚是什麼過程形成了這兩個異常區。

2019年，在美國亞利桑那州立大學的一次研討會上，有位教授對月球形成的“大撞擊”假説提出了質疑：撞擊體Theia真的存在嗎？為什麼沒有人找到Theia存在的證據？

正是這個提問讓袁遷靈光一現：“難道大型低速體就是Theia的殘餘？”

會後，袁遷查閲了相關資料，發現還沒有人提出過類似的假説。隨後，他與亞利桑那州立大學的博士導師李明明教授合作，從地球動力學的角度去驗證這一猜想。他們的結果支持該猜想，但需要假設在“大撞擊”後地球地幔沒有完全熔化，而之前的大多數相關論文由於算法和分辨率的問題，都認為這次撞擊基本導致了地幔的全部熔化。

正在這個時候，袁遷看到了鄧洪平最新的APJ論文，其中描述了“大撞擊”後地球的分層現象，這正是他苦苦尋找的證據。

於是，袁遷邀請鄧洪平共同探索大碰撞後進入地球深部的Theia物質。在此之前，這些進入地球深部的Theia物質一直被鄧洪平忽視，之後二者的合作如魚得水，完美地形成了研究的閉環。

令人驚喜的是，通過深入分析之前的大碰撞模擬、開展更高精度的新模擬，研究團隊發現與大型低速體質量相當的Theia物質會進入到Gaia的下地幔。鄧洪平進一步邀請了計算天體物理專家Jacob Kegerreis用傳統的光滑粒子流體動力學方法證實了這一結論。

現今地幔深部的異質體或為導致月球形成的大碰撞事件遺蹟  圖源：鄧洪平和杭州思斐邇科技有限公司

此外，研究團隊還演算出這些Theia地幔物質與月球岩石一樣富集鐵元素，所以比周圍Gaia物質密度更高，因此快速下沉至地幔底部，並在地幔的長期對流作用下形成兩個顯著的大型低速體，歷經45億年的地質演化仍穩定存在在核幔邊界之上。

這一次，他們的論文被Nature成功接收，並且還被選為封面文章。鄧洪平説：“得益於地球物理學家、地球化學家和天體物理學家的通力合作，我們可以將地月系統的形成和演化融入到整個內太陽系類地行星形成的框架中，甚至為理解系外地球的形成和宜居性提供啓發。”

自由的氛圍讓他們敢想敢做！

“今人不見古時月，今月曾經照古人。”45億年前的天崩地裂早已隱入塵煙，難尋蹤跡。然而，科學家們豐富的想象力和運算力可以突破時空限制，帶領我們探索深埋地底的遠古遺蹟。

之前鄧洪平主要從事天體物理研究，對地球演化的知識所知甚少，只是因為偶然的機會被同事帶入了月球形成的研究中。

但幸運的是，他通過電子郵件聯繫到的專家，都願意與這個普通研究生認真去探討那些天馬行空的想法。而後來與袁遷的合作，也是從一封來自陌生人的郵件開始的。

這也是整個研究過程中，最讓鄧洪平感觸深刻的部分：當青年學者提出想法並尋求合作的時候，大家並不覺得瘋狂，自由寬鬆的科研氛圍讓他們敢想敢做！

論文的發表並不是結束。鄧洪平、袁遷等人的探索還在繼續，為了進一步充實這些理論或者驗證它們。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06589-1