據美國亞利桑那大學最新消息，該校與德國科學家合作的一項新研究表明，行星的形成過程可能比大多數科學家願意承認的還要複雜和混亂。如今整齊、獨特的球形行星是由起伏不平的小行星和迷你行星組成的漩渦雲形成的。
藝術家繪製的兩個巨大天體碰撞場景。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
這些發現對傳統觀點提出了挑戰。傳統觀點認為，較小的天體之間的碰撞會導致它們黏在一起，隨着時間推移不斷碰撞，吸收新的物質，形成成長的小星球。
相反，兩位作者提出並證明了一種新的“碰撞-逃逸-返回”場景。在這種場景中，行星形成前的天體在穿越太陽系內部的大部分旅程中都在相互撞擊和反彈。在第一次碰撞時，它們的速度減慢了，下一次碰撞時它們更有可能粘在一起。就像一場檯球遊戲，球漸漸靜止。
9月23日發表在《行星科學雜誌》的兩項論文，其中一篇關注金星和地球，另一篇則關注月球。根據該校行星科學教授Erik Asphaug的說法，這兩篇論文的核心聚焦一個很大程度上沒有被認識到的觀點，即單獨天體撞擊並不會形成科學家認為的有效合併。
“我們發現，大多數天體撞擊，即使是相對‘慢’的撞擊，都是撞了就跑。這意味着，如果兩顆行星要合併，通常首先必須在碰撞后逃逸的過程中讓它們減速。“把撞擊，比如月球的形成，看作一個單獨的事件可能是錯誤的。更有可能是連續兩次碰撞。”
其中的一個暗示是，儘管金星和地球在太陽系內部是近鄰，但它們的成長過程有非常不同的經歷。這項研究發現年輕的地球會減緩行星的速度，最終使它們更有可能與金星相撞並粘附在金星上。“我們認為，在太陽系形成期間，早期的地球充當了金星的先鋒。”論文第一兼通訊作者、德國路德維希-馬克西米利安-慕尼黑大學的Alexandre Emsenhuber說。
按比例顯示太陽系內的類地行星。根據“後期吸積”理論，火星和水星（前左和右）是原始胚胎碰撞后留下的，金星和地球則是在一系列巨大的撞擊中成長起來的。新研究集中在天體碰撞“撞后逃逸”帶來的效應方面，認為原地球（后左）充當了一個“先鋒”，在“撞后逃逸”碰撞中減慢行星大小的天體的速度。但最終吸積它們的往往是原金星（后右），這意味着金星更容易從太陽系外獲得天體。圖片來源：NASA
太陽系就是科學家所說的“重力井”，遊客將硬幣扔進漏斗形的重力井中，然後看着硬幣繞軌道運行幾圈，落入重力井中心。行星離太陽越近，其引力就越強。這就是為什麼研究關注的太陽系內的行星水星、金星、地球和火星，繞太陽的軌道比木星、土星和海王星等要快。因此，一個物體離太陽越近，就越有可能停留在那裡。
Asphaug解釋說，當一顆闖入地球的行星撞擊地球時，它不太可能粘附在地球上，反而更有可能最終落在金星上。“地球就像一個盾牌，為抵禦這些行星的衝擊提供了第一站。”他說，“更有可能的是，一顆從地球上彈回來的行星會撞擊金星並與之合併。”
Emsenhuber用球從樓梯上跳下來的類比來說明“先鋒效應”：太陽系外的天體就像一個球從一組樓梯上跳下來，每一次反彈都代表着與另一個物體的碰撞。
“在這個過程中，球失去了能量，你會發現它只能向下彈跳，而不是向上彈跳。”他說，“因此，這個天體再也不能離開太陽系內部了。同理，你通常只會下樓朝金星方向走，而與金星相撞的天體會停在太陽系內部，在某個時候它會再次撞擊金星。”
地球沒有這樣的先鋒隊來減緩行星的速度。作者認為，這導致了傳統理論無法解釋的兩顆大小相似的行星之間的差異。
“普遍的觀點是，如果行星發生碰撞，但沒有立即合併，這並不重要，因為它們會在某個點再次相撞，然後合併。”Emsenhuber說，“但這並不是我們的發現。我們發現它們會更頻繁地成為金星的一部分，而不是返回地球。從地球到金星要比反過來容易得多。”
為了追蹤這些行星軌道和碰撞，以及最終它們的合併，該團隊使用機器學習，利用天體碰撞的3D模擬中獲得預測模型。該團隊隨後利用這些數據快速計算軌道演化，包括碰撞后逃逸和合併碰撞，模擬1億年的類地行星形成過程。
在第二篇論文中，作者提出並論證了他們的“撞擊-逃逸-返回”的月球形成方案，認識到標準天體撞擊模型的主要問題。
月球被認為是一次巨大撞擊的後果。根據新的理論，間隔約100萬年，它連續發生了兩次巨大的撞擊，其中包括火星大小的忒伊亞行星和原地球的撞擊。圖中，作者3D模擬了“肇事逃逸”的碰撞場景。剖面圖顯示了內部的鐵芯。忒伊亞（或者其大部分）幾乎沒有逃脫，所以很可能會發生後續的碰撞。A。 Emsenhuber/伯爾尼大學/慕尼黑大學
“相對而言，月球的標準模型需要非常緩慢的碰撞。”Asphaug說，“它創造的月球主要是由撞擊行星組成的，而不是原始地球，這是一個主要問題，因為月球的同位素化學成分幾乎與地球相同。”
該小組設想，一個大約火星大小的原行星撞擊地球，就像在標準模型中那樣，但速度稍微快一些，所以它會繼續前進。它會在約100萬年後返回一個看起來很像標準模型的巨大撞擊。“兩次碰撞比一次碰撞混合的東西多得多，這可以解釋地球和月球在同位素上的相似性，也可以解釋第二次緩慢的合併碰撞是如何發生的。”Asphaug說。
研究人員認為，由此產生的行星組合方式的不對稱性為未來研究類地行星多樣性指明了方向。例如，為什麼地球有着比金星強得多的磁場，為什麼金星沒有衛星。
“在我們看來，地球的大部分物質都是由於正面碰撞而吸積的，或者比金星的速度慢。”他說，“更傾斜、速度更快的撞擊會優先發生在金星上。”
這將產生一種偏差，例如，來自外太陽系的原行星，在較高的速度下，會優先吸積到金星而不是地球。簡而言之，金星可能是由地球更難獲得的物質組成的。“你可能會認為地球是由更多的外太陽系物質組成的，因為它比金星更接近外太陽系。但實際上，有了地球的先鋒作用，金星實際上更有可能吸積太陽系外的物質。” Asphaug說。
相關論文信息：
https://doi.org/10.3847/PSJ/ac19b1
https://doi.org/10.3847/PSJ/ac19b2