失落行星：地球邻居或是月球的摇篮

大约在45亿年前，地球有一个暴力的邻居行星。一个名为忒伊亚的年轻、仍在形成中的行星以极大的力量撞击了我们的地球，熔化了地球大部分的地幔，并将大量碎片散布到轨道中。这些熔融的碎片最终聚集成了我们今天所熟知的月球。

忒伊亚本身并没有幸存于撞击，但新的证据表明，它并不是来自外太阳系的遥远游荡者。它其实是我们的邻居。

宇宙的解剖

来自马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）和芝加哥大学的研究人员拼凑出了迄今为止最详细的忒伊亚的化学成分和起源重建。他们得出的结论是：忒伊亚的形成可能比地球更接近太阳。

“一个天体的成分记录了它的整个形成历史，包括它的起源地，”MPS的主任、该研究的共同作者托尔斯滕·克莱因说。

研究人员检查了某些关键金属的同位素——特别是铁、钼和锆——在地球和月球岩石中的分布。同位素是元素的不同版本，通过其原子核中的中子数量来区分。在早期太阳系中，这些同位素并不是均匀分布的；它们的变化取决于行星形成时距离太阳的远近。这种变化使它们成为一种化学地理定位标记。

研究团队使用了来自15块地球岩石和六块由阿波罗宇航员收集的月球岩石的样本，以极高的精度测量了同位素的比率。他们发现地球和月球的同位素组成几乎完全相同。这并不意外，因为之前对铬、钙和钛的分析已经暗示了这一点。

但这加深了月球诞生之谜。如果月球主要是由忒伊亚的残骸形成的，为什么它在化学上看起来与地球如此相似呢？

逆向工程一个失落的行星

为了找出答案，科学家们采用了一种逆向工程的方法。通过计算哪些元素的混合物可以产生今天地球和月球的同位素特征，他们反推忒伊亚可能是由什么组成的。

“这些元素对金属有不同的亲和力，因此以不同的比例分配到行星地幔中；这就是黄金如此稀有和珍贵的原因！”芝加哥大学和香港大学的行星科学家尼古拉斯·多法斯解释道。“它们让我们能够了解行星形成的不同阶段。”

地球的铁核早期形成，吸引了铁和钼等金属。然而，这两种元素今天仍然存在于地幔中，这意味着它们必须是后来到达的——很可能是由忒伊亚带来的。同位素证据表明，忒伊亚是一个具有金属核心的岩石行星，质量大约是地球的5%到10%，形成于内太阳系。

“最令人信服的情况是，地球和忒伊亚的大部分构建块起源于内太阳系。地球和忒伊亚很可能是邻居，”研究的首席作者蒂莫·霍普说。

忒伊亚并不是之前认为的来自深空的流浪物体。它是一个兄弟行星，由构成地球的相同太阳尘埃和富含金属的碎片组装而成。然后命运——或者更确切地说是物理——将两者带到了一起，发生了一次重塑它们的碰撞。

共同的起源，分歧的命运

关于巨型撞击形成月球的理论可以追溯到1970年代，旨在解释为什么地球和月球的成分几乎无法区分。如果月球主要由忒伊亚的物质构成，它应该看起来不同。如果它主要由地球的地幔构成，它就不应该有足够的铁。

这项新研究表明，这两个行星几乎是从太阳系的同一区域形成的，这就解释了它们的化学特征为何如此相似。它还表明，月球继承了地球和忒伊亚的物质，这些物质在碰撞后的火热余波中彻底混合。

托尔斯滕·克莱因称该团队的研究为“行星的逆向工程”。通过将同位素数据与陨石进行比较，科学家们重建了忒伊亚的“成分清单”，并追踪其可能的出生地到一个比水星和金星的轨道更靠近太阳的区域。

回到2020年，克莱因的团队发现，在靠近太阳形成的天体往往富含钼等重元素。事实上，地球的地幔中含有比模型预测的稍多的钼和锆。这些过量的元素，团队现在认为，来自忒伊亚。

Theia的碰撞不仅塑造了月球；它还重塑了地球本身。撞击可能改变了我们地球的自转轴倾斜度，为地幔注入了重要的金属元素，并使其轨道更加稳定。如果没有这一宇宙事件，地球可能不会形成支持生命进化的长期气候稳定。