超级计算机模拟揭示了巨大的撞击如何塑造了月球

达勒姆大学计算宇宙学研究所的主要科学家使用迄今为止最详细的超级计算机模拟来揭示 45 亿年前月球起源的另一种解释。 并揭示了地球与地球之间存在巨大碰撞[{” attribute=””>Mars-sized body could immediately place a Moon-like body into orbit around Earth.

High-end simulations

In their search for scenarios that could explain the present-day Earth-Moon system, the researchers simulated hundreds of different impacts at high resolution, varying the angle and speed of the collision as well as the masses and spins of the two colliding bodies. These calculations were performed using the SWIFT open-source simulation code, run on the DiRAC Memory Intensive service (“COSMA”), hosted by Durham University on behalf of the DiRAC High-Performance Computing facility.

额外的计算能力表明，低分辨率模拟可能会错过大规模碰撞的关键方面。 使用高分辨率模拟，研究人员可以发现以前研究中无法访问的特征。 只有高分辨率模拟产生了类似月球的卫星，更多细节揭示了它的外层如何包含更多源自地球的物质。

如果月球的很大一部分在巨大撞击后立即形成，这也可能意味着与月球在地球周围的碎片盘内生长的传统理论相比，月球在形成过程中的熔点较低。 根据随后凝固的细节，这些理论应该可以预测月球的各种内部结构。

研究合著者文森特·埃克说：“这种形成路径可以帮助解释阿波罗宇航员带回的月球岩石和地幔之间同位素组成的相似性。月壳的厚度也可能会产生可观察到的后果，这将使我们能够以确定发生的碰撞类型它发生的更多。”

此外，他们还发现，即使卫星距离地球如此之近，预计会被地球引力的“潮汐力”撕裂，卫星实际上也能幸存下来。 事实上，它也可以被推进到更宽的轨道，避免未来的破坏。

一堆新的可能性

该研究的首席研究员 Jacob Kejris 说：“这为月球演化开辟了一套全新的潜在跳板。”“我们在不知道这种高分辨率模拟的确切结果的情况下进入了这个项目。所以，在除了标准决策可以给你错误的答案之外，令人兴奋的是，新发现可能包括一个令人费解的、类似月球的卫星在轨道上。”

月球被认为是在 45 亿年前年轻的地球与一个火星大小的物体（称为 Theia）碰撞后形成的。 大多数理论都是通过这种碰撞产生的碎片逐渐积累来建造月球的。 然而，这受到了月球岩石测量的挑战，这些测量表明它们的成分与地球地幔的成分相似，而撞击产生的碎片主要来自忒伊亚。

这种直接的卫星情景为初始月球轨道以及月球的预测成分和内部结构开辟了新的可能性。 这可能有助于解释未解之谜，例如月球偏离地球赤道的倾斜轨道； 或者它可能会产生一个未完全熔化的早期卫星，一些科学家认为这可能更适合其较薄的地壳。

接下来的几次月球飞行应该会揭示导致月球的巨大撞击类型的新线索，这反过来将告诉我们地球本身的历史。

研究小组包括科学家[{” attribute=””>NASA Ames Research Centre and the University of Glasgow, UK, and their simulation findings have been published in the Astrophysical Journal Letters.

Reference: “Immediate Origin of the Moon as a Post-impact Satellite” by J. A. Kegerreis, S. Ruiz-Bonilla, V. R. Eke, R. J. Massey, T. D. Sandnes and L. F. A. Teodoro, 4 October 2022, Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/ac8d96

The research was partly supported by a DiRAC Director’s Discretionary Time award and a Science and Technology Facilities Council (STFC) grant.