Nguồn gốc Mặt Trăng: Khái niệm mới về Địa hóa và Động lực học - Krivtsov

• Tác giả: Krivtsov
• Chuyên ngành: Thiên văn học
• Đề tài: Nguồn gốc của Mặt Trăng. Khái niệm mới
• Loại tài liệu: Sách
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Berlin

Tóm tắt

I. Tổng quan về các khái niệm mới về nguồn gốc Mặt Trời

Nghiên cứu nguồn gốc Mặt Trời là một lĩnh vực trọng tâm trong khoa học hành tinh. Các khái niệm mới đã xuất hiện, thách thức các lý thuyết truyền thống. Sự tập trung vào bằng chứng địa hóa học và động lực học đã mở ra những hiểu biết sâu sắc. Sự tương đồng đồng vị giữa Trái Đất và Mặt Trời là một đầu mối quan trọng. Các nhà nghiên cứu xem xét cả kích thước, khối lượng và cấu trúc bên trong. Lịch sử nghiên cứu Mặt Trời trải qua nhiều giai đoạn khác nhau. Các mẫu vật từ các sứ mệnh Apollo và Luna cung cấp dữ liệu quý giá. Những phát hiện mới đòi hỏi phải cập nhật các mô hình hiện tại. Các khái niệm này không chỉ giải thích sự hình thành mà còn cả sự bất đối xứng của Mặt Trời. Cuối cùng, chúng cung cấp một cái nhìn tổng thể về sự tiến hóa của hệ Mặt Trời.

1.1. Mặt Trời như một thiên thể và các đặc tính vật lý

Mặt Trời là vệ tinh tự nhiên duy nhất của Trái Đất. Nó có kích thước nhỏ hơn đáng kể so với các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời. Khối lượng và mật độ của Mặt Trời cung cấp manh mối về quá trình hình thành. Moment quán tính và độ nghiêng trục cũng là các yếu tố được phân tích. Các phép đo chính xác giúp xác định cấu trúc bên trong. Sự bất đối xứng trong hình dạng của Mặt Trời là một đặc điểm nổi bật. Dữ liệu từ các tàu vũ trụ đã làm sáng tỏ các chi tiết này. Những đặc tính vật lý này là nền tảng cho các mô hình hình thành. Chúng ảnh hưởng đến động lực học của quá trình bồi tụ. Hiểu biết về chúng là bước đầu tiên trong nghiên cứu nguồn gốc.

1.2. Lịch sử nghiên cứu và các phương pháp tiếp cận

Lịch sử nghiên cứu nguồn gốc Mặt Trời bắt đầu từ các quan sát cổ đại. Các phương pháp hiện đại bao gồm phân tích địa hóa học và mô hình hóa động lực học. Các sứ mệnh không gian đã thu thập các mẫu vật trực tiếp từ bề mặt Mặt Trời. Các nhà khoa học so sánh thành phần đồng vị của Mặt Trời và Trái Đất. Các kỹ thuật như phổ khối lượng được sử dụng rộng rãi. Nghiên cứu cũng dựa trên các thiên thạch có nguồn gốc Mặt Trời. Các mô hình tính toán mô phỏng quá trình hình thành. Sự kết hợp giữa quan sát và lý thuyết là chìa khóa. Các phương pháp này giúp kiểm tra các giả thuyết khác nhau. Chúng cung cấp bằng chứng để đánh giá tính hợp lý của các khái niệm mới.

II. Phân tích giả thuyết va chạm khổng lồ và các vấn đề

Giả thuyết va chạm khổng lồ từng là lý thuyết phổ biến nhất về nguồn gốc Mặt Trời. Giả thuyết này đề xuất một vật thể cỡ Sao Hỏa đã va chạm với Trái Đất sơ khai. Vụ va chạm tạo ra một đĩa mảnh vỡ quanh Trái Đất. Đĩa này sau đó bồi tụ để hình thành Mặt Trời. Tuy nhiên, giả thuyết này gặp nhiều vấn đề nghiêm trọng. Nó khó giải thích sự giống nhau đồng vị gần như hoàn hảo giữa hai thiên thể. Mất mát các nguyên tố bay hơi mà không có phân tách đồng vị là một thách thức lớn. Nước được phát hiện trong các mẫu Mặt Trời cũng mâu thuẫn. Các ràng buộc từ hệ Hf-W và I-Xe đặt ra câu hỏi về thời gian hình thành. Các mô hình động lực học cũng chỉ ra sự không nhất quán. Do đó, các nhà khoa học đã tìm kiếm các khái niệm thay thế. Những điểm yếu này thúc đẩy sự phát triển các mô hình mới.

2.1. Nguyên lý cơ bản của giả thuyết va chạm khổng lồ

Giả thuyết va chạm khổng lồ dựa trên một sự kiện va chạm năng lượng cao. Một vật thể tiền hành tinh lớn được gọi là Theia va vào Trái Đất. Lực va chạm đủ mạnh để bóc lớp vỏ của Trái Đất. Các mảnh vỡ bị đẩy vào quỹ đạo xung quanh Trái Đất. Các mảnh vỡ này chủ yếu là vật liệu silicat từ vỏ của hai thiên thể. Quá trình ngưng tụ và bồi tụ diễn ra trong đĩa mảnh vỡ. Thời gian hình thành Mặt Trời được cho là tương đối ngắn. Mô hình này giải thích một số đặc điểm như moment quán tính thấp của Mặt Trời. Tuy nhiên, nó dựa trên các điều kiện ban đầu rất cụ thể. Sự trùng hợp ngẫu nhiên là cần thiết để giải thích dữ liệu quan sát.

2.2. Các bằng chứng mâu thuẫn và thách thức lý thuyết

Nhiều bằng chứng địa hóa học mâu thuẫn với giả thuyết va chạm khổng lồ. Sự giống nhau về thành phần đồng vị oxy giữa Trái Đất và Mặt Trời là rất cao. Giả thuyết này dự đoán sự khác biệt lớn do vật liệu từ Theia. Mất mát các nguyên tố bay hơi như kali và natri khó giải thích. Nước trong Mặt Trời không phù hợp với một sự kiện nóng chảy lớn. Dữ liệu từ hệ Hf-W cho thấy thời gian hình thành quá nhanh. Các hệ I-Xe và Rb-Sr cũng đặt ra ràng buộc thời gian. Mô hình động lực học chỉ ra sự phân mảnh không hiệu quả. Những thách thức này làm suy yếu tính thuyết phục của giả thuyết. Cần có các khái niệm mới để giải quyết các mâu thuẫn này.

III. Giải pháp và phương pháp mới Mô hình bồi tụ bay hơi

Mô hình bồi tụ bay hơi là một khái niệm mới thay thế cho giả thuyết va chạm. Mô hình này dựa trên sự tiến hóa của tinh vân tiền hành tinh. Nó đề xuất rằng Trái Đất và Mặt Trời hình thành đồng thời từ cùng một vật liệu. Quá trình bồi tụ diễn ra trong một đĩa khí bụi đang co lại. Bay hơi của các hạt bụi đóng vai trò quan trọng trong sự phân mảnh. Sự mất mát sắt và làm giàu các chất khó bay hơi được giải thích. Mô hình này tạo ra sự bất đối xứng trong quá trình bồi tụ của hai thiên thể. Nó phù hợp với các bằng chứng đồng vị và địa hóa học. Các mô phỏng động lực học hỗ trợ tính khả thi của mô hình. Phương pháp này cung cấp một giải pháp toàn diện hơn. Nó giải quyết được nhiều vấn đề mà giả thuyết va chạm gặp phải. Cuối cùng, nó mở ra hướng nghiên cứu mới cho nguồn gốc Mặt Trời.

3.1. Nguyên lý của sự bồi tụ bay hơi và tiến hóa tinh vân

Mô hình bồi tụ bay hơi bắt đầu từ sự tiến hóa của tinh vân Mặt Trời. Tinh vân khí bụi trải qua quá trình co lại và phân mảnh. Các hạt bụi trong đĩa bị bay hơi do bức xạ từ Mặt Trời sơ khai. Sự bay hơi này ảnh hưởng đến quá trình bồi tụ của các hành tinh. Vật liệu khó bay hơi được tập trung lại để hình thành lõi. Sắt bị mất đi trong quá trình bay hơi, giải thích mật độ thấp của Mặt Trời. Sự bất đối xứng trong bồi tụ dẫn đến sự khác biệt giữa Trái Đất và Mặt Trời. Mô hình này liên kết địa hóa học với động lực học. Nó dựa trên hai con đường tiến hóa có thể của tinh vân. Các tham số mô phỏng được điều chỉnh để phù hợp với quan sát. Nguyên lý này cung cấp một khung lý thuyết thống nhất.

3.2. Bằng chứng địa hóa học hỗ trợ mô hình mới

Nhiều bằng chứng địa hóa học hỗ trợ mô hình bồi tụ bay hơi. Sự giống nhau về thành phần đồng vị oxy được giải thích bởi nguồn gốc chung. Mất mát các nguyên tố bay hơi mà không phân tách đồng vị phù hợp. Nước trong Mặt Trời có thể đến từ vật liệu giàu nước ban đầu. Các ràng buộc từ hệ Hf-W cho thấy thời gian hình thành kéo dài. Hệ thống I-Xe và Pu-Xe cung cấp thông tin về thời gian bồi tụ. Dữ liệu từ hệ Rb-Sr xác định tuổi của Mặt Trời. Mô hình này cũng giải thích sự bất đối xứng hình dạng. Các mẫu vật từ Mặt Trời cho thấy sự khác biệt petrologic. Bằng chứng này cho thấy một quá trình hình thành dần dần. Sự kết hợp các dữ liệu củng cố tính hợp lý của mô hình mới.

IV. Kết luận và ứng dụng của các khái niệm mới

Các khái niệm mới về nguồn gốc Mặt Trời đánh dấu một bước tiến lớn. Chúng giải quyết được nhiều vấn đề của các lý thuyết truyền thống. Mô hình bồi tụ bay hơi cung cấp một giải pháp toàn diện và nhất quán. Nó phù hợp với bằng chứng địa hóa học và động lực học hiện có. Sự hiểu biết mới này có ứng dụng rộng rãi trong khoa học hành tinh. Nó giúp giải thích sự hình thành của các hệ hành tinh khác. Các nghiên cứu tương lai sẽ tập trung vào kiểm chứng mô hình. Các sứ mệnh Mặt Trời mới có thể thu thập thêm dữ liệu. Mô hình hóa tính toán sẽ được cải thiện để mô phỏng chi tiết hơn. Cuối cùng, các khái niệm này làm sáng tỏ quá trình hình thành Trái Đất. Chúng cung cấp một cái nhìn mới về sự tiến hóa của hệ Mặt Trời.

4.1. Ý nghĩa đối với khoa học hành tinh và nghiên cứu Mặt Trời

Các khái niệm mới có ý nghĩa sâu sắc đối với khoa học hành tinh. Chúng cung cấp một mô hình hình thành Mặt Trời khả thi hơn. Sự hiểu biết này có thể áp dụng cho các vệ tinh tự nhiên khác. Nó cũng liên quan đến sự hình thành của các hành tinh đá. Nghiên cứu này nâng cao kiến thức về sự tiến hóa của đĩa tiền hành tinh. Các nhà khoa học có thể sử dụng mô hình để giải thích dữ liệu từ các sứ mệnh. Nó cũng ảnh hưởng đến lý thuyết về sự sống trên các hành tinh khác. Ý nghĩa của nó vượt ra ngoài Mặt Trời đến toàn bộ hệ Mặt Trời. Các khái niệm này thúc đẩy sự hợp tác quốc tế trong nghiên cứu. Cuối cùng, chúng đóng góp vào nền tảng lý thuyết của thiên văn học.

4.2. Hướng nghiên cứu tương lai và ứng dụng thực tế

Hướng nghiên cứu tương lai tập trung vào kiểm chứng mô hình bồi tụ bay hơi. Các sứ mệnh Mặt Trời mới, như Artemis, sẽ thu thập mẫu vật mới. Phân tích đồng vị chi tiết hơn sẽ cung cấp dữ liệu chính xác. Mô hình hóa tính toán tiên tiến sẽ mô phỏng quá trình bồi tụ. Nghiên cứu cũng sẽ xem xét sự bất đối xứng của Mặt Trời chi tiết hơn. Các ứng dụng thực tế bao gồm hiểu biết về tài nguyên trên Mặt Trời. Nó cũng hỗ trợ trong việc lập kế hoạch cho các căn cứ Mặt Trời trong tương lai. Sự hiểu biết về nguồn gốc có thể ảnh hưởng đến các chính sách khám phá không gian. Hợp tác giữa các lĩnh vực như địa hóa học và vật lý thiên văn là cần thiết. Cuối cùng, nghiên cứu này có thể dẫn đến các khám phá mới về hệ Mặt Trời.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Free ebooks ==> www.com Free ebooks ==> www. Krivtsov Origin of the Moon. New Concept www. Krivtsov Origin of the Moon. New Concept Geochemistry and Dynamics De Gruyter Free ebooks ==> www.com Mathematics Subject Classification 2010: 96. ISBN 978-3-11-028628-1 e-ISBN 978-3-11-028640-3 Library of Congress Cataloging-in-Publication Data A CIP catalog record for this book has been applied for at the Library of Congress. Bibliographic information published by the Deutsche Nationalbibliothek The Deutsche Nationalbibliothek lists this publication in the Deutsche Nationalbibliografie; detailed bibliographic data are available in the internet at http://dnb. © 2012 Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, Berlin/Boston Typesetting: PTP-Berlin Protago-TEX-Production GmbH, www.eu Printing and binding: Hubert & Co. KG, Göttingen Printed on acid-free paper Printed in Germany www.com Contents Introduction ix I Geochemistry 1 The Moon as a celestial body 3 1.1 Size, mass, density .2 Moment of inertia .4 Obliquities and inclinations . 8 2 The history of the study of the Moon 10 3 The Moon as a geological body 13 3.2 Asymmetry of the lunar shape .7 Internal structure and temperature . 25 4 Similarity and difference in composition of Earth and Moon 29 4.6 Isotopic composition similarity . 41 5 Hypotheses on the origin of the Moon 42 5.2 Giant impact concept and its weaknesses . 44 6 The model of evaporative accretion 47 6.1 Two possible paths of evolution of the solar nebula .2 Introduction to the dynamic model .3 Loss of iron and enrichment in refractories .4 Asymmetry of accumulation of Earth and Moon . 55 7 Geochemical constraints and how the giant impact and evaporative accretion concepts satisfy them 60 7.1 Identity of isotope compositions of the Earth and the Moon .2 Loss of volatiles without isotope fractionation .3 Water in the Moon.5 Constraints following from Hf–W systematic .6 129I–129 Xe and 244 Pu–136Xe . Time of accomplishment of accretion .8 Rb-Sr system. Time of Moon origin . 85 II Dynamics 8 Dynamical modeling of fragmentation of the gas-dust cloud 93 8.1 Computational modeling using particle dynamics .1 Classical Barnes-Hut algorithm .5 Comparative analysis of the performance .6 Results of the computations, 2D-model .3 Evaporation of the particles as an important factor of fragmentation .4 3D-model of evaporative fragmentation .1 Simulation parameters and numerical experiments .2 Modification of the parameters (interaction potential, angular and random velocities, and dissipation coefficients) .3 Variation of number of particles .4 General trends in the system behavior . 123 9 Dynamic modeling of accretion 125 9.2 Determination of sizes of Earth and Moon embryos .3 Consideration of precollapse evolution of the gas-dust cloud . 139 Conclusions 143 References 145 Index 163 Free ebooks ==> www.com Introduction Sometimes interest in the problem of the Moon’s genesis seems exaggerated. Why does this small celestial body, one of many in the solar system, attract so much atten- tion? First of all, the Moon genesis is part of the Earth genesis problem. Knowledge of our own planet, understanding of how and when its oceans and atmosphere came into existence, how and when the crust and the core of the Earth were formed, and how life originated on the Earth are not just academic issues; these are profound issues of human self-consciousness. Understanding the Earth’s genesis is impossible without solving simultaneously the Moon genesis problem. The Earth and the Moon form a genetically linked pair. Moreover, a lot of questions relating to the early history of the Earth cannot be answered by studying the Earth alone. Although the age of the Earth is approximately 4.56 billion years, the oldest rocks ever found on Earth are no more than 4 billion years old, i., we have no material evidence of the initial 500–600 million years of Earth’s history (except for a few zircon crystals). But the age of some rocks found on the Moon and delivered to Earth is 4:4  4:5 billion years, and even older rocks may be found yet. The Moon genesis may turn out to be central to the question of how the planets in the solar system have been formed. In certain respects the Earth and the Moon form a unique pair. Among the inner planets of the solar system only Earth has a large satellite. Mercury and Venus have no satellites. Mars has two small, irregular-shaped satellites, Phobos and Deimos, the larger of which (Phobos) is 22 km longwise, while the Moon’s diameter exceeds 3,500 km. In relation to its planet, too, the Moon is the largest satellite in the solar system. The size ratio between the Moon and the Earth is 1:81. The size ratio between Ganymede, Jupiter’s largest satellite, and Jupiter is 1:12,200. Moreover, the total angular momen- tum of the Earth-Moon system is many times higher than that of the other terrestrial planets. Explanation of these peculiarities within the general planet accumulation theory is of critical importance in order to understand the laws of genesis and evolution of the solar System. The most interesting and intricate point of the Moon genesis problem is the exis- tence, on the one hand, of unique similarities in some respects of the composition of Earth and Moon – for example, isotopic composition of certain elements – and on the other hand, of fundamental distinctions – for example, as regards iron content and re- fractory elements. Hypotheses based upon the shared origin of the Earth and the Moon www.com x Introduction therefore need to explain the observed distinctions, whereas hypotheses allowing for independent origins of Earth and Moon materials have to explain the similarities. A vast number of publications have been devoted to studies of the Moon, including the issue of its genesis. There are quite detailed reviews among them. We will provide references to these publications. At the same time, however, it would be unrealistic to expect readers, parallel to perusing this book, to read all the literature we may refer to. Our book therefore contains a necessary minimum of data about the Moon, that is, data immediately relevant to a discussion of the Moon genesis problem. The major hypotheses advanced to date on the origin of the Moon include: 1) the capturing of the Moon by Earth; 2) the separation of the Moon from Earth due to rotational instability of the parent body; 3) the co-accretion of the Moon and Earth from a swarm of planetesimals; 4) the formation of the Moon as a result of a collision of Earth with a planet-sized body (the giant impact hypothesis). Earth’s capture of a body on its orbit is unlikely and is in contradiction with the isotopic identity of terrestrial and lunar material. The separation (fission) hypothesis has been abandoned for dynamical reasons: the total angular momentum of the Earth- Moon system is not sufficient for rotational instability, while attempts to redeem the situation by taking into account the resonance effects from the sun have failed, the relatively high dissipation resulting in damping of the resonance oscillations. The co-accretion hypothesis failed to provide a plausible explanation of the Moon’s iron deficit and simultaneously its enrichment in refractory elements. Currently most research is inclined to accept the giant impact model. According to this hypothesis col- lision of the Earth with another planet-sized body resulted in ejection to a near-Earth orbit of molten material, which then aggregated to produce the Moon. The impact hy- pothesis has good dynamical grounding. It provides a simple solution for the problem of iron deficit in the Moon, and plausible explanation of the high angular momentum of the Earth-Moon system. However, it also has some significant flaws. Our book is largely devoted to presenting our own concept. We have tried to con- sider in an unbiased manner the extent to which the suggested hypotheses, and first of all our model compared to the mega-impact model, satisfy the most critical geochem- ical and physical constraints on the Moon origin. The suggested model concordantly explains: 1) the observed deficit of iron in the Moon, 2) its enrichment in refractory elements; 3) the loss of volatiles by the Moon without isotope fractionation, 4) the formation of the double Earth-Moon system from a common source of primordial (chondritic) composition; 5) the identical isotope com- position – 16 O/17 O/18 O, Ti, W, etc. – of Earth and Moon; 6) the presence on the Moon of water and its isotopic composition; 7) the distribution of siderophile elements; we show 8) compliance of our model with the observed behavior of isotopic sys- tems 182Hf_184 W, 87 Rb_86 Sr, 129J_129 Xe, 244 Pu_136 Xe, 238U_206 Pb, 235U_207Pb; and within our model we offer 9) an interpretation of the high angular momentum of the Earth-Moon system. Introduction xi If our hypothesis of the Moon genesis is valid, it may become the basis for a brand new approach to the problem of planet accumulation. Our hypothesis is inconsistent with the generally accepted theory of accumulation of planetary bodies in the solar system. This is its weak point, although it may eventually prove to be an achievement. We claim that evolution of the solar nebula includes formation of gas-dust clumps (not only solid planetesimals), which by non-elastic collision may have accumulated into a large (within the Hill sphere) gas-dust body, the initial stage for planets. Gradual compression of this body and its fragmentation (subject to certain conditions) resulted in the formation of embryos of the Moon and the Earth. We consider geochemical and dynamical consequences of this mechanism and find satisfactory consensus with the observed facts. But it is not our purpose here to present a general evolutionary model of the protoplanetary nebula. We regard consideration of a new model of accumulation of planets as a separate issue and leave this to be resolved in the future. Part I Geochemistry Chapter 1 The Moon as a celestial body 1.1 Size, mass, density The mass of the Moon is 7:351  1025 g (Table 1. Its shape is close to spherical, the radius is 1,737. The lunar sphere volume is 21:99109 km3 . Hence, lunar density is 3. Such density is typical of rocks such as eclogite and peridotite. The Moon as compared with the Earth. Mass of the Earth 5:977  1027 g Mass of the Moon 7:351  1025 g Density of the Earth 5.517 g/cm3 Density of the Moon 3.343 g/cm3 Radius of the Moon 1,737.4 km Surface area of the Moon 37:96  106 km2 Lunar sphere volume 21:99  109 km3 Moon vs. Earth weight ratio 1/81.3 The mass of the Moon is  80 times lower than the mass of the Earth. However, the Moon is the heaviest satellite in the solar system in relation to its central planet. The largest satellite in the solar system is Ganymede, but it weighs 12,200 times less than its planet, Jupiter. The density of the Moon is much lower than that of the Earth. This is partially explained by the massiveness of the Earth and by the fact that the matter inside it is compressed under high pressure. But even if one considers the densities of the Earth and the Moon under the same normal pressure, the density of the Moon appears to be lower than that of the Earth: 3. This means that the Moon contains much less iron than the Earth. The Earth has a heavy core accounting for  32 % of its mass. Considering the average known density of the Moon, it can only have a small metallic core. This corresponds with the limitation that is imposed on the core size by the value of moment of inertia.2 Moment of inertia The moment of inertia is a measure of resistance of a body to change in its rotation. The lunar solid moment of inertia Isolid is determined by use of accurate Lunar Laser 4 Chapter 1 The Moon as a celestial body Ranging. The measurements of the distance from the land-based observatories to the laser reflectors on the Moon’s surface provide parameters for evaluation of the moment of inertia (Konopliv et al.