重塑月球的女人
一位麦克阿瑟“天才奖”获得者写了一个新的月球起源故事。
作者：Brian Gallagher 2018年11月7日
S公司 阿拉·斯图尔特过着她的理想生活，生活变得更加甜蜜。 加利福尼亚大学戴维斯分校的行星物理学家最近赢得了麦克阿瑟基金会奖学金（MacArthur Foundation Fellowship），该奖学金以“天才奖”闻名于世，因为她在地球月球起源方面的工作推翻了一个已有十年历史的理论。 她获得了62.5万美元的奖金。
她说：“仅仅说‘我们会给你做某事的机会，我们不会告诉你该做什么’，这是一个很棒的概念。这很不寻常，也很自由。” 鹦鹉螺 ，指赠款计划。 她对该奖项所代表的认可感到特别激动。 作为审查过程的一部分，基金会与几十位候选人的同行进行了对话。 她说：“我真正感到的是对同事的感激。”。 “这真的让我感动。”
鹦鹉螺 在世界空间周期间，她对斯图尔特说，今年的主题是“空间团结世界”。这迫使她写下 一首诗 ，使用主题作为标题。 鹦鹉螺 问斯图尔特关于这一点，以及她的实验室实验是如何复制行星碰撞的压力和温度的，从而为她的月球诞生模型提供信息的。
莎拉·斯图尔特 John D.&Catherine T.麦克阿瑟基金会
太空如何把我们联系在一起？
本次世界空间周的举办正值世界似乎在强调分歧的时候。 所以我写了我写的东西作为对此的回应。 太空探索和发现令人惊讶和新鲜的事物是将所有人聚集在一起，享受大自然的深邃之美的一种方式。 我希望我们能花更多的时间来讨论使我们走到一起的事情。
就像月亮一样。 给我们简单介绍一下它的起源理论。
明年，即2019年，是阿波罗登月50周年。 阿波罗任务带回的岩石样本基本上推翻了之前关于月球起源的所有想法。 在阿波罗计划结果公布之前，一位名叫维克托·萨夫罗诺夫的俄罗斯天文学家一直在开发行星如何生长的模型。 他发现它们生长成亚行星或原行星大小的物体，然后发生碰撞。 几个不同的小组随后独立提出，一次巨大的撞击在地球周围形成了一个圆盘，月球就是从这个圆盘上生长而来的。 在过去的50年里，这个模型变成了定量的、可预测的。 模拟结果表明，月球应该主要由撞击原地球的物体构成。 但阿波罗任务发现，月球实际上是地球的孪生兄弟，尤其是它的地幔，在主要元素和同位素比率方面：不同重量的元素就像指纹一样，在相同的丰度中存在。 太阳系中的每一颗小行星和行星都有不同的指纹，除了地球和月球。 因此，巨大冲击假说是错误的。 这是科学如何运作的一个教训——巨大影响假说之所以坚持了这么久，是因为没有其他模型尚未被推翻。
令人惊讶的是，当地球变热、蒸发、快速旋转时，它就不再是行星了。
你关于月球诞生的提议有何不同？
我们改变了巨大的影响。 通过更改它，我们特别删除了一个原始约束。 最初的巨大撞击被认为是为了确定地球一天的长度，因为角动量——线性动量的旋转当量——是一个守恒的物理量：如果我们在时间上倒退，月球就会靠近地球。 在月亮长大的时候，地球每天都会旋转五个小时。 因此，所有的巨大撞击模型都进行了调整，以便在巨大撞击发生后为我们提供5小时的一天时间。 我们所做的是说，“好吧，如果有办法在月球形成后改变角动量呢？”那就必须通过与太阳的动力学相互作用。 这意味着我们可以更快地启动地球自转——我们正在探索模型，其中地球在巨大撞击后一天有两到三个小时的时间。
快速旋转的地球对你的模型做了什么？
令人惊讶的是，当地球变热、蒸发、快速旋转时，它就不再是行星了。 有一个边界，超过这个边界，地球上所有的物质都无法在一起旋转的物体中停留，我们称之为共同旋转极限。 一个超过共同旋转极限的物体形成了一个新的物体，我们将其命名为synestia，一个源自希腊语的单词，意思是表示一个相连的结构。 综合征与行星加圆盘是不同的物体。 它有不同的内部动力。 在这种热汽化状态下，圆盘中的热气体不会落在行星上，因为行星上的大气层会将气体排出。 最终发生的是，形成综合征的岩石蒸汽通过向太空辐射而冷却，在综合征的外部形成岩浆雨，岩浆雨在岩石蒸汽中积聚形成月球，随后冷却形成地球。
综合征的想法是怎么产生的？
2012年，我和Matija ch uk发表了一篇关于月球起源的高自旋模型的论文。 我们改变了撞击事件，但我们没有意识到撞击之后，事情完全不同了。 这不是我们从模拟中提取的任何东西。 直到两年后，当我和我的学生西蒙·洛克（Simon Lock）在研究不同的情节时，我们才意识到我们一直在错误地解释接下来发生的事情。 有一个诚意 尤里卡 那一刻，我们坐在一起讨论撞击后，这个圆盘将如何围绕地球演化，并意识到它不是一个标准的圆盘。 这些综合征可能已经在人们的计算机系统中存在了相当长的一段时间，但没有人真正将其识别为不同的东西。
综合征的大小是否超出了月球目前的轨道？
它本来可以更大。 它到底有多大取决于活动的能量和旋转的速度。 我们没有精确的限制来制造月球，因为一系列的综合征可以制造月球。
地球处于协同状态有多长时间？
这种综合征很大，但持续时间不长。 由于岩石蒸汽非常热，而且我们所在的太阳系距离太阳足够远，因此我们的平均温度比岩石蒸汽低，所以合成物冷却得很快。 所以它可能会持续1000年左右，然后看起来像一个正常的行星。 它到底能持续多久，取决于太阳系围绕地球的其他情况。 为了成为长寿命的物体，它需要非常靠近恒星。
撞击原地球的物体有多大？
我们无法判断，因为各种质量比、撞击角、撞击速度可以形成一个合成物，其中有足够的质量和角动量来形成月球。 我不知道我们会确切地知道到底是什么打击了我们。我们可能有办法限制这些可能性。 这样做的一个方法是深入地球寻找有关这一事件可能有多大的线索。 来自深地幔的化学示踪剂表明，即使在造月事件中，地球也没有完全融化和混合。 这些火山岩通过所谓的海岛玄武岩（有时称为地幔柱）从核幔边界附近到达地表，直至整个地幔到达地表。 这可能是一种对过大的限制。 因为地球和月球在两个天体的覆盖层上非常相似，所以可以用来确定什么是一个太小的事件。 这将为我们提供一个范围，该范围可能由许多不同的碰撞配置来满足。
形成通感需要多少能量？
巨大的冲击是非常有活力的事件。 事件的能量（以撞击动能表示）在数小时内释放出来。 所涉及的能量类似于太阳的能量或光度。 当你把太阳的能量倾倒到这个星球上时，我们真的不能想象地球看起来像地球。
综合征有多常见？
我们实际上认为，在岩石行星形成期间，会经常发生综合作用。 我们还没有看过气态巨行星。 这其中发生了一些不同的物理现象。 但对于像地球这样不断增长的岩石体，我们试图估算出多久会发生一次综合征的统计数据。 对于宇宙中任何地方的地球物质来说，在其生长过程中，身体至少会出现一次综合征。 当身体变大时，发生综合征的可能性增加。 超地球在某种程度上也应该是一种综合征。
目标在蒸发后，然后再次冷却，然后变成灰尘。 它们是非常破坏性的实验。
你说，在行星形成过程中达到的所有压力和温度现在都可以在实验室中获得。 首先，让我们了解这些压力和温度的大小，然后告诉我们如何在实验室中访问它们。
地球中心的温度高达数千度，压力高达数百吉帕，约为地表压力的300万倍。 木星的中心甚至更热。 在巨大撞击中，木星中心的压力可以暂时达到，因为两个天体正在碰撞。 一次巨大的撞击和木星的中心是关于行星形成过程中达到的压力和温度的极限：因此达到了数万度，是地球压力的一百万倍。 为了复制这一点，我们需要将能量迅速注入岩石或矿物中，以产生冲击波，达到压力和温度的振幅。 我们使用地球上的主要矿物或岩石行星，因此我们研究了铁、石英、镁橄榄石、顽火辉石以及它们的不同合金成分。 其他人研究了木星的氢氦混合物，以及天王星和海王星的冰。 在我的实验室里，我们有轻型气枪，基本上是加农炮。 而且，使用压缩氢，我们可以发射一个金属飞片，也就是一个薄薄的磁盘，大约每秒8公里。 我们可以到达地球的核心压力，但我无法到达巨大撞击的范围或我实验室中木星的中心。但Sandia Z机器是一个利用磁力发射金属板的大电容器，可以达到每秒40公里。 通过劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火设备激光器，我们可以达到木星中心的压力。
飞片被击中后会发生什么？
目标在蒸发后，然后再次冷却，然后变成灰尘。 它们是非常破坏性的实验。 你必须在几十纳秒内实时测量波本身及其传播速度。 这可以转化为压力。 我的团队花了很多时间来开发测量温度和找到相边界的方法。 导致月球起源的工作是专门研究如何蒸发地球物质，并确定岩石的沸点。 我们需要知道它什么时候会蒸发，以便计算出什么时候会形成消化不良。
你如何使用你的实验结果？
在我们的代码中运行的是一个行星的简化版本。 通过我们的实验，我们可以模拟一个简化的行星来推断更复杂的化学系统。 一旦我们确定了平均体系的压力-温度，你就可以问关于真实星球的多组分化学的更详细的问题。 在今年出版的月球论文中，有两大部分。 一种是对巨大撞击进行简化建模，它为我们提供了综合征中的压力-温度范围。 然后是另一个研究系统的化学性质，该系统从这些高压、高温和冷却开始，但现在使用了一个更真实的地球模型。
接到麦克阿瑟基金会的电话是什么感觉？
它确实出乎意料。 他们在我的办公室给我打电话，我接了电话。 另一端有三个人，他们说他们来自麦克阿瑟基金会。 我知道这是什么，我不再听了，因为这真是一个惊喜。 对我来说，这可能只是一个不真实的时刻，这意味着它可能需要一些时间才能真正融入。
你是怎么来学习行星物理学的？
我喜欢科幻小说，没想到自己会成为一名科学家。 但在我上高中的时候，我有很多出色的数学和物理老师。 这真的引起了我的兴趣，所以当我上大学的时候，我想成为一名物理专业的学生。 我很快了解到，天文学家非常欢迎本科生研究人员，因为这项工作对具有本科生技能的人来说非常容易。 我遇到了杰出的科学家，这激发了我的整个职业生涯。
如果你不是科学家，你会做什么？
这很难。 因为这是我很久以来的理想。 在大学里，我经常演戏剧。 更多的是戏剧，而不是家庭作业。我最好的戏剧经验是导演斯威尼·托德（Sweeney Todd）。 这真是太棒了。 因此，当我的一些朋友追求戏剧生活时，我确实有些羡慕。 这是你可以渴望的事情，但那将是一条艰难的道路。
NASA正在庆祝成立60周年。 作为一名研究太空的科学家，这对你意味着什么？
感觉我们在60年里学到了很多，因为我们现在已经第一次参观了太阳系的一切。 但与此同时，每当我们到达一个新的物体时，我们都会感到非常惊讶。 因此，在某些方面，我们仍处于行星科学的年轻时期，在那里我们试图获得基本知识。 那是一个非常激动人心的时刻。 我们仍处于非常大的增长曲线上。
布莱恩·加拉赫（Brian Gallagher）是《事实如此浪漫》（Facts So Romantic）的编辑 鹦鹉螺 博客。 在推特上关注他 @布莱恩加11agher .
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