钾同位素揭示月球形成过程

撰文 ｜吴非

45亿年前，地球与天体间的一次大碰撞产生了月球。通过对月球岩石样品的钾同位素分析，科学家为我们描绘出这一过程的宏伟画面。

45亿年前，刚刚诞生的地球多次遭受来自其他天体的撞击，而在其中一次大碰撞中，一个行星胚胎与地球相撞，产生了地球唯一的卫星——月球。但是，关于月球起源的诸多谜团一直有待破解。这个行星胚胎是以什么样的方式撞向地球的？月球的物质来源又是什么？破解这些谜团的线索就藏在月球土壤之下的岩层中。任职于美国华盛顿大学（圣路易斯）的王昆与合作者在《自然》（ Nature ）上发表文章，通过研究钾同位素证明，这次碰撞是一次高能量、高角动量的剧烈撞击过程。

传统模型认为，低速运行的天体与地球发生低角度碰撞时，原始地球的结构基本不受破坏，而月球的物质主要来自碰撞天体。但是，近期的氧同位素研究对这一观点提出了挑战。在太阳系中，由于起源各不相同，各天体的氧同位素（Δ17O）数值差异明显。而研究发现，月球岩石与地球的Δ17O一致，这意味着碰撞天体与原始地球的物质很可能在碰撞过程中混合在一起，月球由混合后的物质组成。

但是，要想验证该结论的正确性，并揭示具体的碰撞过程，地球化学家仍需找到更多的证据，而钾同位素因挥发性适中受到关注。挥发性较低的元素在碰撞过程中难以出现同位素分馏，而挥发性过高的元素在后期的火山喷发等过程中仍能发生分馏，因此也难以保留碰撞时的信息。因此，具有中等挥发性的钾就成了破解月球形成过程的关键。

王昆告诉《环球科学》记者：“在此前的研究中，由于钾同位素测试的精度比较低，地球和月球的钾同位素值在误差范围内是一致的。”而在最新的研究中，王昆及其合作者运用高精度的钾同位素（ δ ⁴¹ K）测试手段，对从美国国家航空航天局获得的7块不同类型的月球岩石样本（包括玄武岩和不同类型的角砾岩）进行了分析。同时，研究人员测量了球粒陨石（可能是地球等类地行星的组成材料）和不同类型的地球岩浆岩样本。

结果显示，地球岩石与球粒陨石的钾同位素值几乎一致，而月球岩石的钾同位素值却普遍高出0.4。也就是说，在大碰撞过程中，钾同位素发生了分馏，组成月球的物质所含的钾元素更重。

是什么样的过程让更重的钾优先进入月球中？在高温环境中，唯一可以导致钾同位素分馏的机制称为瑞利分馏——例如雨滴从大气中凝聚并落下的过程，当产物从开放的气态体系中不断凝聚出来时，较重的同位素更易析出。在碰撞天体与地球物质共同构成的气态体系中，包含着更重的钾同位素的产物不断凝聚出来，最终冷却并形成月球。

可以确定的是，在碰撞过程中，原始地球的大部分物质与碰撞天体共同构成了这些气体。由于瑞利分馏的系数取决于环境压强，通过对同位素值的分析计算，王昆推断，碰撞产生的环境压强在10个大气压以上。

据此，研究人员构建了一幅高能量、高角动量的碰撞图景。在早期太阳系中，大量星云经碰撞、吸积形成大小不一的天体，其中一个在地球刚刚形成不到100万年时，高速径直撞向原始地球，碰撞传递的巨大能量使地球系统飞速旋转。在强大离心力的作用下，地幔、大气层和碰撞天体形成混合均匀的气态体系，气体延伸至洛希极限以外——此时，地球的卫星可以形成，并且不至于因潮汐作用而被撕裂。即使是在这片远离碰撞现场的地方，环境温度还是可以达到3,700℃，压强也有约20个大气压。在几十年的时间中，气体中的物质通过瑞利分馏不断析出，构成熔融的天体。随着该天体不断吸积增长并冷凝，这颗卫星最终在距地球38万千米外的轨道上稳定下来。

王昆的研究为揭示月球形成过程提供了有力的证据，但这还远远不是故事的全部。王昆说：“现在从月球返回的样品都集中来自月球有限的几个区域，我们对月球的认识相比我们对地球的了解要差很多。”王昆的研究样本来自阿波罗计划从月球带回的岩石，受月球岩石样品数量的限制，相关研究无论是在项目申请上还是在国际合作上都面临着重重障碍。

按照计划，中国将发射“嫦娥五号”探测器。如果顺利，这项任务将带回月球土壤样本，而岩石样本可能在后继的月球探测中获取。但是，月球形成过程仍然藏有众多谜团，例如碰撞过程后地球的角动量如何演变。王昆说：“更多的样品会对我们理解月球形成过程有很大帮助，但是理论上的突破也很重要。计算天文学家根据地球和月球的轨道参数模拟出大碰撞的过程，而我们地球化学家则需要验证这些假说与月球的化学成分是否吻合。只有这样跨学科的合作才能解决月球的起源问题。” bY/ILu3lfZ2k06ARuPHXyxXCXL5GRRRjBmVqoZH6p6NYDb0Gckb3ahrKtap3SyVe