科学家发现地球金星“两兄弟”在碰撞中成长

艺术家绘制的两个巨大天体碰撞场景。图片来源：NASA/JPL-Caltech

这些发现对传统观点提出了挑战。传统观点认为，较小的天体之间的碰撞会导致它们黏在一起，随着时间推移不断碰撞，吸收新的物质，形成成长的小星球。

相反，两位作者提出并证明了一种新的“碰撞-逃逸-返回”场景。在这种场景中，行星形成前的天体在穿越太阳系内部的大部分旅程中都在相互撞击和反弹。在第一次碰撞时，它们的速度减慢了，下一次碰撞时它们更有可能粘在一起。就像一场台球游戏，球渐渐静止。

9月23日发表在《行星科学杂志》的两项论文，其中一篇关注金星和地球，另一篇则关注月球。根据该校行星科学教授Erik Asphaug的说法，这两篇论文的核心聚焦一个很大程度上没有被认识到的观点，即单独天体撞击并不会形成科学家认为的有效合并。

“我们发现，大多数天体撞击，即使是相对‘慢’的撞击，都是撞了就跑。这意味着，如果两颗行星要合并，通常首先必须在碰撞后逃逸的过程中让它们减速。“把撞击，比如月球的形成，看作一个单独的事件可能是错误的。更有可能是连续两次碰撞。”

其中的一个暗示是，尽管金星和地球在太阳系内部是近邻，但它们的成长过程有非常不同的经历。这项研究发现年轻的地球会减缓行星的速度，最终使它们更有可能与金星相撞并粘附在金星上。“我们认为，在太阳系形成期间，早期的地球充当了金星的先锋。”论文第一兼通讯作者、德国路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学的Alexandre Emsenhuber说。

按比例显示太阳系内的类地行星。根据“后期吸积”理论，火星和水星（前左和右）是原始胚胎碰撞后留下的，金星和地球则是在一系列巨大的撞击中成长起来的。新研究集中在天体碰撞“撞后逃逸”带来的效应方面，认为原地球（后左）充当了一个“先锋”，在“撞后逃逸”碰撞中减慢行星大小的天体的速度。但最终吸积它们的往往是原金星（后右），这意味着金星更容易从太阳系外获得天体。图片来源：NASA

太阳系就是科学家所说的“重力井”，游客将硬币扔进漏斗形的重力井中，然后看着硬币绕轨道运行几圈，落入重力井中心。行星离太阳越近，其引力就越强。这就是为什么研究关注的太阳系内的行星水星、金星、地球和火星，绕太阳的轨道比木星、土星和海王星等要快。因此，一个物体离太阳越近，就越有可能停留在那里。

Asphaug解释说，当一颗闯入地球的行星撞击地球时，它不太可能粘附在地球上，反而更有可能最终落在金星上。“地球就像一个盾牌，为抵御这些行星的冲击提供了第一站。”他说，“更有可能的是，一颗从地球上弹回来的行星会撞击金星并与之合并。”

Emsenhuber用球从楼梯上跳下来的类比来说明“先锋效应”：太阳系外的天体就像一个球从一组楼梯上跳下来，每一次反弹都代表着与另一个物体的碰撞。

“在这个过程中，球失去了能量，你会发现它只能向下弹跳，而不是向上弹跳。”他说，“因此，这个天体再也不能离开太阳系内部了。同理，你通常只会下楼朝金星方向走，而与金星相撞的天体会停在太阳系内部，在某个时候它会再次撞击金星。”

地球没有这样的先锋队来减缓行星的速度。作者认为，这导致了传统理论无法解释的两颗大小相似的行星之间的差异。

“普遍的观点是，如果行星发生碰撞，但没有立即合并，这并不重要，因为它们会在某个点再次相撞，然后合并。”Emsenhuber说，“但这并不是我们的发现。我们发现它们会更频繁地成为金星的一部分，而不是返回地球。从地球到金星要比反过来容易得多。”

为了追踪这些行星轨道和碰撞，以及最终它们的合并，该团队使用机器学习，利用天体碰撞的3D模拟中获得预测模型。该团队随后利用这些数据快速计算轨道演化，包括碰撞后逃逸和合并碰撞，模拟1亿年的类地行星形成过程。

在第二篇论文中，作者提出并论证了他们的“撞击-逃逸-返回”的月球形成方案，认识到标准天体撞击模型的主要问题。

月球被认为是一次巨大撞击的后果。根据新的理论，间隔约100万年，它连续发生了两次巨大的撞击，其中包括火星大小的忒伊亚行星和原地球的撞击。图中，作者3D模拟了“肇事逃逸”的碰撞场景。剖面图显示了内部的铁芯。忒伊亚（或者其大部分）几乎没有逃脱，所以很可能会发生后续的碰撞。A。 Emsenhuber/伯尔尼大学/慕尼黑大学

“相对而言，月球的标准模型需要非常缓慢的碰撞。”Asphaug说，“它创造的月球主要是由撞击行星组成的，而不是原始地球，这是一个主要问题，因为月球的同位素化学成分几乎与地球相同。”

该小组设想，一个大约火星大小的原行星撞击地球，就像在标准模型中那样，但速度稍微快一些，所以它会继续前进。它会在约100万年后返回一个看起来很像标准模型的巨大撞击。“两次碰撞比一次碰撞混合的东西多得多，这可以解释地球和月球在同位素上的相似性，也可以解释第二次缓慢的合并碰撞是如何发生的。”Asphaug说。

研究人员认为，由此产生的行星组合方式的不对称性为未来研究类地行星多样性指明了方向。例如，为什么地球有着比金星强得多的磁场，为什么金星没有卫星。

“在我们看来，地球的大部分物质都是由于正面碰撞而吸积的，或者比金星的速度慢。”他说，“更倾斜、速度更快的撞击会优先发生在金星上。”

这将产生一种偏差，例如，来自外太阳系的原行星，在较高的速度下，会优先吸积到金星而不是地球。简而言之，金星可能是由地球更难获得的物质组成的。“你可能会认为地球是由更多的外太阳系物质组成的，因为它比金星更接近外太阳系。但实际上，有了地球的先锋作用，金星实际上更有可能吸积太阳系外的物质。” Asphaug说。

相关论文信息：

https://doi.org/10.3847/PSJ/ac19b1

https://doi.org/10.3847/PSJ/ac19b2