【寰宇天文】月球的身世之謎

■長久以來科學家們相信,地球和另一行星撞擊後形成月球,但關於地球和月球岩石化學組成的研究卻開啟了另一種可能。一項研究分析阿波羅號帶回來的月球岩石,或許可以揭開月球的身世之謎。也或者,是帶來更大的謎團。

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過去相信月球是地球和另一古老行星撞擊後形成的,那為什麼月球的岩石化學組成和地球這麼像?

作者Daniel Clery
編譯林怡德

科學家們普遍認為,過去地球曾被火星大小的行星從側面撞上,行星本身受撞擊全毀,多數的行星殘片和小部分的地球碎片在地球四周形成岩屑盤(debris disk),最後聚集而成月球,大部分的證據也支持這個說法。當時的月球溫度很高,輕物質和水氣蒸發後,剩下現今荒漠無邊的月球;且因為月球是由行星碎片和地球外層組成的,其核心很小;另外,地月系統的旋轉速度很快,也符合側面撞擊後的情況。但以上說法並無法解釋月球的岩石化學成分。

研究人員發現,地球上來自太陽系不同行星的隕石成分都不太一樣。例如氧原子有很多種同位素(isotope),氧-16 (O-16)是最常見的,其次是氧-17 (O-17)--比前者多了一個中子,還有氧-18(O-18)--又再多了一個中子。太陽系裡的隕石由不同的同位素組成,所以來自火星的隕石,其氧-17和氧-16之比會和地球上的岩石很不一樣。然而這些比例都十分固定,研究人員可用此判斷隕石來自哪裡。

既然撞擊假說推測月球有70-90%的成分來自撞擊行星,照理來說同位素組成應該和地球很不一樣。但研究人員分析阿波羅號取得的月球樣本後,發現地球和月球的同位素組成比例幾乎一樣。氧(oxygen)、 鈦(titanium)、 鈣(calcium)、 矽(silicon)、 鎢(tungsten)原子的同位素組成並沒有不同。

行星科學家們百思不解,近年來甚至提出了幾個新的假說解釋月球的起源。有個說法認為地球和岩屑盤的碎片在撞擊後可能混合的更均勻,或地球是被大小差不多的行星撞上,使得碎片可完全混合在一起。還有一個說法認為地球是被極小的行星撞上,此行星散出的碎片只占了月球一小部分。但這些說法都無法解釋地月系統的成因。

其實最初的撞擊說解釋最合理,研究人員們也都較支持原本的說法。但一發表於《科學》期刊(Science)的新研究指出,月球的氧-17和氧-16比例明顯高於地球的岩石,這產生了另一種解釋。而新研究的開始,主要是因為德國科隆大學(University of Cologne)同位素地球化學家Daniel Herwartz率領的研究團隊近來改良了質譜儀(mass spectrometer),並利用測量地月同位素來檢測其設備,來自德國哥廷根大學(University of Göttingen )的團隊成員Andreas Pack表示,此分析設備比其他實驗室厲害許多。

他們剛開始是分析墜落到地球上的月球隕石,但隕石在地球歷經風化後,分析結果會產生偏差,所以最後使用阿波羅號第11、12和16次任務取得的岩石樣本,抽取其氧原子用質譜儀測量各氧同位素的比例,發現月球樣本氧16與氧17之比,較地球表層的岩石多了12ppm。研究人員表示,這項差異可作為月球是因地球和其他行星撞擊後形成的證據。美國加州理工學院(California Institute of Technology)的行星科學家David Stevenson也十分高興終於找到同位素的比例差異,因為地球和月球間是不可能完全沒有差異的。

另外,對於此差異,研究團隊也說可有其他的解釋。例如地球可能是在大撞擊後,又遭其他氧同位素比例較低的物質所撞擊。找到比例差異後,科學家們會進行研究進一步確認或否認此差異的存在,對於其代表的意義,也勢必會引起一場爭論戰。

此外,月球樣本中地球和撞擊行星的成分各占一半,高比例的氧同位素也表示此行星主要是由一稀有物質頑火輝石球粒隕石(enstatite chondrite)所組成。雖然落在地球的隕石多為球粒隕石,不過只有約2%為頑火輝石球粒隕石。Stevenson解釋,頑火輝石球粒隕石對月球的組成有其重要性,但因年代久遠,許多物質已不存在,現今只能以推測的方式假想地球起源時的組成成份。神秘的月球,其身世依然是個謎。
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研究出處:How Did the Moon Really Form?
譯者:林怡德 科教中心特約寫手,從事科普文章編譯。
責任編輯:Kerina Huang

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