月亮可能在几个小时内就形成了。
一项新的研究表明，月球可能是在一场灾难性的撞击后立即形成的，该撞击将地球的一大块撕裂并将其抛入太空。
自 1970 年代中期以来，天文学家一直认为月球可能是由地球与名为 Theia 的古老火星大小的原行星碰撞形成的。 巨大的撞击会产生一个巨大的碎片场，我们的月球伙伴在数千年的时间里慢慢形成。
但是，基于以比以往更高的分辨率进行的超级计算机模拟的一项新假设表明，月球的形成可能并不是一个缓慢而渐进的过程，而是在短短几个小时内发生的。 科学家们于 10 月 4 日在《天体物理学杂志快报》杂志上发表了他们的发现。
“我们了解到，很难预测需要多少分辨率才能可靠地模拟这些剧烈而复杂的碰撞——你只需要继续测试，直到你发现进一步提高分辨率不再对你的答案产生影响得到，”英国杜伦大学的计算宇宙学家 Jacob Kegerreis 说。
1969 年 7 月，阿波罗 11 号任务返回，当时美国宇航局宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林将 47.6 磅（21.6 公斤）的月球岩石和尘埃带回地球，科学家们获得了关于月球创造的第一个线索。这些样本可以追溯到大约 45 亿年前，将月球的创造置于太阳系形成后大约 1.5 亿年的动荡时期。
其他线索表明，我们最大的天然卫星是由地球和一颗假想的行星之间的猛烈碰撞而诞生的，科学家们以神话中的希腊泰坦 Theia（月亮女神塞勒涅的母亲）命名这颗行星。这一证据包括月球和地球岩石成分的相似性；地球的自转和月球的轨道具有相似的方向；两个物体的高组合角动量；以及我们太阳系其他地方存在碎片盘。
但宇宙碰撞究竟是如何发生的还有待商榷。传统的假设表明，当忒伊亚坠入地球时，行星破坏的撞击将忒伊亚粉碎成数百万块，将其变成漂浮的瓦砾。忒伊亚破碎的残骸，以及从我们年轻星球的地幔中撕裂出来的一些汽化岩石和气体，慢慢混合成一个圆盘，月球的熔融球体在该圆盘周围凝聚并冷却了数百万年。
然而，画面的某些部分仍然难以捉摸。一个悬而未决的问题是，如果月球主要由忒伊亚构成，为什么它的许多岩石与地球上发现的岩石有着惊人的相似之处？一些科学家认为，地球上蒸发的岩石比忒伊亚的粉碎残余物更多地进入了月球，但这个想法提出了自己的问题，例如为什么其他模型表明主要由地球碎裂的岩石组成的月球会有一个截然不同的轨道比我们今天看到的。
为了研究碰撞后月球形成的不同可能情景，这项新研究的作者转向了一个名为 SPH 的计算机程序，该程序具有相互依赖的细粒度任务 (SWIFT)，该程序旨在密切模拟复杂且不断变化的万有引力网络。和作用于大量物质的流体动力。准确地做到这一点并不是简单的计算任务，因此科学家们使用了一台超级计算机来运行该程序：杜伦大学分布式研究利用先进计算设施 (DiRAC) 的一个绰号为 COSMA（“宇宙学机器”的缩写）的系统。
通过使用 COSMA 模拟数百次具有不同角度、旋转和速度的地球-忒伊亚碰撞，月球侦探能够以比以往更高的分辨率模拟天文破裂的后果。这些模拟中的分辨率由模拟使用的粒子数量决定。根据 Kegerreis 的说法，对于巨大的影响，标准模拟分辨率通常在 100,000 到 100 万个粒子之间，但在这项新研究中，他和他的同事们能够模拟多达 1 亿个粒子。
“有了更高的分辨率，我们可以研究更多的细节——就像更大的望远镜如何让你拍摄遥远行星或星系的更高分辨率的图像以发现新的细节一样，”Kegerreis 说。
“其次，也许更重要的是，在模拟中使用过低的分辨率会给你带来误导，甚至是错误的答案，”他补充道。 “你可能会想，如果你用玩具积木建造一辆模型车来模拟汽车在碰撞中可能发生的故障，那么如果你只使用几十个积木，它可能会从中间完美分裂。但有几千或百万，那么您可能会开始以更现实的方式将其弄皱和破裂。”
更高分辨率的模拟为研究人员留下了一个月球，它在几个小时内从地球喷出的大块和忒伊亚的碎片中形成，提供了单阶段形成理论，为月球的可见特性提供了一个干净而优雅的答案，比如它宽阔、倾斜的轨道；其部分熔融的内部；和它薄薄的外壳。
然而，研究人员将不得不检查从月球表面深处挖掘出的岩石和尘埃样本——这是美国宇航局未来阿尔忒弥斯任务的目标——才能确认其地幔的混合程度。
“来自月球表面的更多样本可能非常有助于对月球的组成和演化做出新的和更自信的发现，然后我们可以追溯到像我们这样的模型模拟，”Kegerreis 说。 “像这样的任务和研究以及许多其他任务稳步帮助我们排除更多可能性，缩小月球和地球的实际历史，并更多地了解行星是如何在我们太阳系内外形成的。”
这样的调查还可以揭示地球是如何形成并成为一个孕育生命的星球的。
“我们对月球是如何形成的了解得越多，我们对地球演化的发现就越多，”该研究的合著者、杜伦大学物理学副教授文森特·埃克在一份声明中说。 “它们的历史是相互交织的——并且可以在其他行星因类似或非常不同的碰撞而改变的故事中得到呼应。”