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   第925期
【2019/8/1 科學人雜誌網站
  浴火而生-改寫月球起源
1971年8月1日,阿波羅15號的太空人史考特(David Scott)和爾溫(James Irwin)探索寧靜祥和的月球表面時,在熔岩平原雨海(Mare Imbrium)東側發現了引人注目的岩石。這塊月岩標本後來命名為「起源石」(Genesis Rock),是歷史超過40億年的月球地殼碎片,其中可能含有月球形成的線索。史考特一看見岩石中嵌著閃閃發亮的晶體,便知道它對解答月球誕生之謎可能十分重要。他和爾溫把起源石放進袋子裡,同時以無線電通知任務控制中心:「我們已經找到想要的東西了。」日後,起源石成為阿波羅計畫最珍貴的科學遺產。 


起源石和歷次阿波羅太空人帶回地球的382公斤月岩標本,顛覆了我們對月球歷史的想法。珍貴岩石標本顯示月球剛形成時表面覆蓋岩漿海,這些重要的新細節引發一場科學重啟活動,讓科學家揚棄了月球是由地球重力捕獲或與地球一同形成等當時普遍認同的理論。 


月球表面形成岩漿海需要龐大能量,因此有科學家提出全新的想法:原地球曾經和另一個行星碰撞,地球與宇宙中最親近的同伴月球在強力碰撞中產生,這個概念來自計算結果指出,行星形成過程中可能發生碰撞,且月球組成與地球地函出奇相似。有些研究人員甚至認為這次碰撞決定了剛剛誕生的地球的自轉,後來才逐漸形成約24小時的日夜週期。這些早期研究提出的主流大碰撞假說指出,地球與大小近似火星的天體斜向碰撞,形成塵埃盤環繞地球;塵埃盤後來逐漸收攏集中,形成月球。這個理論可以解釋月球質量為何如此之大,而且缺乏水和其他揮發性物質。 


大碰撞假說並非毫無瑕疵,最大的弱點就是地球和月球的組成相似得令人吃驚。地球和月球的物質幾乎相同,就像雙生行星一樣,但主流假說卻認為月球大部份物質來自那個大小近似火星的行星,而這個行星的組成應該和原地球不同,因為行星由繞行新生太陽的氣體和塵埃盤形成,根據軌道位置不同,組成物質也應該各不相同。科學家可以精確測量岩石中同位素的相對比例,得出太陽系中每個天體特有的「同位素指紋」,但地球和月球是例外,因為兩者的組成幾乎相同。 


同位素問題困擾大碰撞假說數十年,但一直沒有其他理論能夠良好解釋月球的起源。然而現在,在另一次科學重啟活動中,我們發現大碰撞事件通常不會造成環繞行星的塵埃盤。事實上,多數大碰撞事件不會產生行星,而是產生另一種完全不同的天體。這種暫時的天體稱為聯合體(synestia),是介於行星和塵埃盤之間的狀態,這種新天體可以解釋月球許多令人費解的特徵。 


遠在天邊,近在眼前


提出聯合體的時間是在數年前,我們(本文作者洛克和史都華)正在研究形成月球的強力碰撞是否決定了地球日的長度。日夜週期與大碰撞事件的關聯,是角動量守恆這個基本物理定律。早期月球距離地球較近,為了維持角動量,地球自轉速率比現在更快,每天只有五小時。其他科學家認為地球與大小近似火星的天體斜向碰撞,可能決定了地球和月球的總角動量;但如果地球日的長度取決於其他因素,那麼月球形成事件所帶來的角動量就可能更大或更小,因此有許多不同的可能碰撞情形。在某些罕見的狀況下,帶來更大角動量和能量的碰撞會使地球和月球的物質平均分佈,或許可以解釋兩個天體的同位素特徵為何完全相同。 


為了探討這個問題,我們以大約100種高能量、高角動量的情況模擬形成月球的大碰撞事件,得出許多看來相當荒謬的結果。在我們的模擬中與預期不同的是,大碰撞事件產生的行星和塵埃盤並未有明顯分野。碰撞熔合後的行星灼熱巨大,部份固態地函汽化,整個行星膨脹到地球目前體積的100倍之多,與環繞地球的塵埃盤相連,這個新的天體看起來不像一般的行星或塵埃盤,而是介於兩者之間。我們靈光一閃,想到強力碰撞可能產生了新的天體,但無法立刻了解它是什麼,並且當時也不知道該怎麼稱呼它。但我們模型中的第一個聯合體已然誕生。 


為了深入了解模型中形成的天體,我們回歸基本,重新探究「行星」的有效定義。行星的定義之一是形狀必須為球體,而要成為球體,天體本身的重力要夠強,才能使岩石像液體一樣變形;此外,行星自轉時除了內部活動造成的小幅干擾,所有物質都會一起移動。我們採用流體動力學規則模擬類似地球的行星,計算固態地函溫度緩慢升高時的變化,模擬結果顯示行星的岩石開始汽化,同時逐漸膨脹。在大碰撞事件的極端溫度下,這個新天體就像氣態巨行星一樣,溫度極高,因此沒有固態實質的表面,只有厚厚的的汽化岩石大氣,越接近核心密度越大。這樣的行星自轉一圈是五小時,即使體積隨溫度升高而膨脹,依然能大致維持球形。 


但如果這個行星旋轉更快,當溫度逐漸升高,令人驚奇的現象就會出現:行星的赤道越來越大,超越某個極限時,自轉速率就和軌道運行速率一樣快,我們稱這個極限為共旋極限(corotation limit)。只要溫度再提高一點,物質就會從行星的赤道流向運行軌道。一道蒸汽會在突然間從行星的赤道噴出,這個天體立刻變了樣,不再像行星一樣是單純的球體,也不像行星一樣整體一同旋轉,而是分成內部的共旋區域和外部旋轉較慢的區域。幾經思考,我們決定把這類新天體命名為聯合體(synestia)。這個名稱源自希臘神話中掌管爐灶和家宅的女神赫斯提亞(Hestia),因為我們相信地球也曾經是灼熱的天體;字首的syn則是說明,行星和塵埃盤中所有互有關聯的物質共同存在。聯合體是行星受熱和自轉作用超過維持球體的極限時所形成的天體。 


我們很快就在電腦模型中把自轉的行星加熱到超過共旋極限,製造出數百個聯合體。聯合體有各種形狀和大小,依整個天體的質量、能量和角動量分佈而定。聯合體的特性取決於形成方式:微幅加熱行星產生的聯合體看來像扁平的飛碟,強力碰撞形成的聯合體則巨大蓬鬆,更像甜甜圈或夾鮮奶油餡的糕點。了解這類天體如何形成之後,我們開始深入探究先前模擬的所有大碰撞事件,從中找尋聯合體,這才發現我們已在無意中製造聯合體好幾年了。事實上,聯合體早已存在於許多研究大碰撞事件的模擬資料中,等待科學家發現這類以往不了解的新天體。 


以往沒有人注意到聯合體,主要原因是錯誤期待。在可能形成月球的各種大碰撞事件中,主流的大碰撞假說涉及的能量和角動量太小,無法形成聯合體。整個科學界數個世代的科學家都只關注大小近似火星的原行星,因此一直認為行星和塵埃盤就是強力碰撞後的標準結果。 


對我們而言,下一步顯然是模擬複雜的行星形成過程中產生聯合體的可能性。我們發展出數種技巧,列出可能使行星變成聯合體的大碰撞,結果發現和形成行星的大碰撞模型相比,聯合體並不罕見,而且還是初生行星系統相當常見的狀態,只是持續的時間很短。我們的模擬結果也顯示,宇宙中大多數固態行星的形成過程中,可能曾一次或數次轉變成聯合體。現在我們相信,大多會形成質量與地球相仿的天體的大碰撞事件,也會形成聯合體。發現聯合體,讓我們找到了宇宙行星史上遺失的那一塊拼圖。