利用先进的计算机模拟，研究人员考察了约45亿年前年轻地球与一颗火星大小的天体之间发生的巨大撞击。他们的结果揭示，取决于这两个天体的温度和结构特性，撞击会产生截然不同的结果。
这些发现发表在《天体物理学杂志通讯》上。这些模拟首次考虑了这两个古老世界的材料强度。这一补充可能会重塑科学家对月球形成撞击的理解，并可能有助于缩小其发生时间的范围。
“我们发现，这颗火星大小的原月球先前存在的地质状况至关重要，”月球与行星实验室前博士后研究员、现任职于SwRI的Adeene Denton说，“当你模拟具有地质特性的地球和月球相撞时，月球从那次撞击中形成的方式会发生改变——这是我们以前认为不必要的。”
重访大撞击假说
关于月球起源的主要解释之一是大撞击情景。根据这一观点，一个被称为“忒伊亚”的火星大小天体与早期地球相撞。撞击摧毁了忒伊亚，并将其残骸送入绕地球运行的轨道，形成了一个碎片盘，最终聚集成为月球。
2001年关于这一情景的一项基础研究由位于科罗拉多州博尔德的SwRI太阳系科学与探索部副总裁Robin Canup和月球与行星实验室教授、这项新研究的合著者Erik Asphaug领导。
那些早期模拟以及后来的许多模型都没有考虑材料强度。科学家假设撞击释放的能量巨大，以至于岩石天体可以有效地被视为流体。
Denton和她的同事决定检验这一假设是否合理。利用现代计算方法，他们首次将依赖于温度的地质强度纳入月球形成模拟中。
“由于撞击被认为剧烈到足以熔化并汽化地球和忒伊亚的大部分，那些早期的论文假设将它们近似为流体是可以的，”Asphaug说，“然而，根据我们的新结果，我们认为现在是重新考虑这一点的时候了。”
为撞击添加真实的地质因素
为了重新研究大撞击，Denton使用了一种更先进形式的光滑粒子流体动力学模拟（SPH）。这些模拟考虑了涉及物体的结构强度，而不是将其完全视为流体。
“事实证明，在研究小行星、矮行星和卫星等较小天体之间的碰撞时，材料强度非常重要，”Denton说。她在之前撰写关于冥王星-卡戎系统形成的论文时，产生了将这一概念应用于地球月球的想法。“我们不确定这对我们的月球是否重要。当我们进行模拟时，发现它实际上相当重要。”
研究中使用的SPH版本由亚利桑那大学和瑞士伯尔尼大学开发。其强度模型允许模拟的行星物质以更符合真实地质物质的方式抵抗变形，这些物质包括可能构成忒伊亚和原地球的岩石与金属，或固态冰。
月球可能以截然不同的方式形成
温度被证明尤为重要。较热的行星天体在力学上比较冷的要弱，模拟表明这种差异会极大地影响撞击后发生的情况。
在某些条件下，撞击会摧毁忒伊亚，并在地球周围形成一个宽阔的原月球盘。该盘中的物质随后逐渐聚集形成月球。
但其他模拟产生了一个更具戏剧性的结果。并非由碎片缓慢形成，而是一个完整的月球仅在几小时内便出现了。
由于年轻的原行星通常开始时很热，并随着年龄增长逐渐冷却，这一结果在大撞击的时间与月球最初形成的方式之间建立了潜在的重要联系。
“根据地球和月球在碰撞前的热度，撞击可能会摧毁忒伊亚并产生巨大的碎片盘，最终形成月球，”Denton说，“但当我们使用与原始撞击建模相同的参数——直至两个天体内部相同的温度结构——在大约五小时内，一个完整的月球就出现了。”
以前的模拟也曾产生过完整的月球，但这项新工作是首次证明材料强度和温度在决定月球是基本完整地形成，还是由原月球盘中处理过的碎片逐渐聚集而成方面起着核心作用。
月球诞生时间的新线索
这些发现可能将月球目前的属性与数十亿年前地球和忒伊亚的物理状态联系起来。
“这些令人惊讶且激动人心的新结果意味着，月球今天的物理属性（可能包括其挥发性成分）与大撞击时地球和忒伊亚的热状态之间存在潜在联系，”未参与该研究的Canup说，“这反过来可能有助于科学家更好地限定月球形成事件发生的时间。”
然而，一个主要的谜团仍然未解。
地球和月球的成分惊人地相似，这是大撞击模型长期以来难以完全解释的一点。新的模拟并没有消除这个问题。
“因为地球和火星形成于太阳系的同一区域，它们就像兄弟姐妹，”Denton说。“月球和地球更像异卵双胞胎。”
一种可能性是，忒伊亚和原地球由早期太阳系同一区域的物质形成。而成分与地球和月球都不同的火星，可能形成于更远的地方。
探索月球起源的新窗口
通过表明地球和忒伊亚的内部状况可能强烈影响其碰撞的后果，该研究为研究人员提供了调查行星科学最大谜团之一的另一种途径。
“我们现在知道，地球和忒伊亚的地球物理状态在塑造碰撞结果方面起着根本性作用，”研究合著者、Asphaug小组的博士生Namya Baijal说，“这为我们探索撞击条件以及它们可能揭示的关于月球起源的信息提供了一种新方法。”