在地球形成的太初时刻，同时诞生了两个“月亮”。一个漂浮在九天之外，另一个则封印在地底深处。任时光辗转40多亿年，彼此长存长在，却相隔分明，无从相见。


这故事随便说出来人敢信？可它的确是新近的合理科学猜想。


甚至登上了最近一期《自然》的封面 | nature.com 


太长不看版：


  • 45亿年前，一颗火星大小的原行星——忒伊亚撞上了初生的地球；


  • 撞出去的物质，聚集形成了月球；


  • 砸进来的物质，至今深埋于地幔；


  • 两者都对地球乃至生命的演化产生着持久的影响。


地球历史的序幕


在浩瀚的地球演化史里，月球的诞生足以位列第一章。


46亿年前，在行星诞生前的时代，太阳系还是一片混沌的尘埃盘。无数的尘埃与石块、冰块频繁撞击，并在撞击中融合、翻卷，逐渐在尘埃盘中“搓”出了无数圆滚滚的小球。这些圆球中的一颗，便是我们初生的地球。


当原始地球诞生时，同时也有无数“兄弟姐妹”一并诞生在这狂乱的萌生之舞中，成千上万的新生小球们，在轨道上漫无目的地飘荡、飞掠，好不热闹！与今日只有8颗行星的孤独太阳系相比，简直是另一片光景。


太阳系早期原行星盘想像图 | Lynette Cook


绝大多数初生的小球，也就是原行星，都没有活过太阳系最初的演化纪元。太阳系诞生早期的这场萌生盛景，在一开始，便注定是一场残酷的淘汰之局。


无他，原行星的轨道重叠度太高了。只要给予时间，它们那盘根错节的公转轨道，终归会令原行星们不可避免地大规模“碰头”或者“追尾”。当一堆个头差不多的原行星靠拢在一起，那就是教科书级的“N体问题”，只有实实在在的相撞与摧毁，才能彻底终结其间迷乱的纠缠与混沌。


我们的地球自然也逃不过这样的命运。科学家认为，在诞生不到1亿年的时间里，地球就挨撞了。撞击者来头还不小，个头足足有今日火星那么大。


当年那场原行星撞地球的想像图 | nature.com / Hernán Cañellas


当这太初版的“火星撞地球”发生时，无数碎片飞溅向太空。高速碎片逃离了地球的引力场，从此难寻踪迹；而那些低速的、没有突破地球引力场的碎片，则滞留在地球上空的轨道上，为重伤的地球点缀出了一副美丽的星环。


当构成星环的碎片也重复着同样疯狂轨迹，不断相撞、汇聚、“滚雪球”般徐徐增大后，一颗球状卫星便诞生了。这片不时即将孕育生命的大地上空，从此有了一轮明月。


这便是著名的“大撞击”（Giant Impact）假说。而那颗袭来的原行星，被称为“忒伊亚”（Θεία， Theia），月神之母。


这个假说堪称完美，不仅与天体物理上的恒星系演化模型相吻合，甚至当人类终于有能力对真正的月岩进行化学构成、同位素构成分析时，也都发现它们大量表现出与地球本体的亲缘性。


在月球自身那几乎明明白白的来龙去脉面前，人们开始关注起另一个似乎被有意无意忽视掉的问题：大量碎片倒是飞出去形成月亮了，可那么大一个忒伊亚对着地球糊脸，它糊在地球上的那部分物质跑哪去了？


45亿年后，空间的另一头


让我们暂时抛开与时间有关的种种，回到空间本身。哪怕对于足以将探测器抛向太阳系边界的人类，那里也是至今仍无从抵达的空间——地球深部。


固态地球分为3个圈层——地核、地幔、地壳。这3个形象的名词，仿佛让地球瞬间幻化为一颗漂浮在宇宙中的大鸡蛋。作为蛋黄的地核覆盖着厚厚的蛋白——地幔，表面又裱上一层薄薄的地壳，可谓形象之极。


地球内部的圈层，从左往右依次是：地壳、地幔、外核、内核 | www.phys.org


可在地球科学家眼里，上述每一个圈层，都有着更加丰富的细节与结构。


地核，又被分为坚实的内核和流动的外核。内核富集了太初时刻沉入地球最深处的放射性元素。它们不断衰变，释放出核能，为整个地球提供地质活动所需的能量。与这个核反应堆直接接触的则是液态外核，滚烫铁浆活跃对流，构成驱动行星磁场的电动机。星球从此得以抵御太阳风，将射来的高能宇宙粒子变成无害的极光，静静抛洒在冰封的两极。


地壳，则承载着海洋与大陆，承载着生存在地球上的万物。这个裱覆星球的“蛋壳”，固定在地幔上部的刚性岩基上，构成岩石圈板块，在悠久的地质历史中分裂、聚合，徐徐漂移；时而星罗棋布，时而合众为一；控制着山岳的形成和洋流的迁徙，也控制着生灵的演化，种群分异。


唯独地幔，夹在两者之间的地幔，成为了一个不尴不尬的存在。


地核成分相对均一，运行机制也相对好理解，时不时还会有外星地核残片陨落到地球上（铁陨石），为了解地核的性质提供了直接窗口。更上部的地壳，人类直接呆在地表搞地质或搞点钻探就可以“亲密对话”。


但地幔呢？这个均厚2900公里、占了地球体积将近85%的圈层，有着复杂的内部成分差异；明明固态为主，却能活跃对流。其复杂的对流样貌，在地球物理学家眼里足以媲美波斯地毯上精美的绣花纹。


地壳之下的地幔，有着极其复杂的对流 | C. Lunau / SPL / Cosmos


关键是，你还几乎接触不到。


上天容易，入地难。人们之所以能把探测器发到太阳系边界，能接收到数百万光年外的电磁波，是因为我们头顶是一片稀薄的太空。脚下这数千公里可是扎扎实实的固体世界。人类至今最深的钻探记录——苏联科拉超深钻（Кольская сверхглубокая скважина），12公里，也只钻到了大陆地壳的一半不到。


既然肉身难往、占据科学观测半壁江山的电磁波也完全穿不透如此厚重的坚实岩体，那么只能靠大地自己想办法了。当大地自身活跃起来，将信息通过自身的撼动传递出来，我们方能一窥埋在地球深处中的谜团。


此即为地震波，我们与大地对话的语言。


通过地震波，可以了解地幔深处的结构 | Doyeon Kim/University of Maryland


地震波反映的信息很单调，主要是波速的变化。它的基本原理也很简单：在不同成分或者不同密度的介质里，机械波传播速度不一样。好比中学读书时课堂上经常举的例子——贴着铁轨能远远听到火车驶来，那是因为声波在固体里传得比空气快。


就这么一个简简单单的原理，让人们“看”到了今日深埋在地幔底部的两个巨瘤。


它们的学名叫做大型低波速域（LLVP，Large Low-Velocity Province）。它形容的无非是地幔中地震波（尤其是剪切波）传递速度偏低的区域，换句话说，这两个区域内的物质构成，很可能跟周围地幔不太一样。


核幔边界上红的那两大坨，便是大型低剪切波速域LLVP | nature.com


其实吧，这个东西本身不是什么新鲜发现了。地球科学家一直热衷于探讨它们在地幔对流中参与的角色。


事情往往最怕往深了问。问深了，很多事琢磨琢磨就有点细思恐极了。


就比如：它们为什么会在那儿？


来自美国亚利桑那州立大学和加州理工学院的研究者袁迁博士（Dr. Qian Yuan）及其团队，在最近发表于《Nature》的成果[1]里，就抛出了这样的解答：


这两坨地幔里的“异物”，很可能就是当年忒伊亚糊在地球上的残骸。历经悠久时光，它们陪伴着地球一同演化，仿佛是45亿年前的“月母”在地底留下的“影子月亮”。


参见“地下之月”  | wikipedia / Sanne.cottaar 


地下的月亮，奔跑在人类的数据流中


显然，直接下去考察LLVP，或者指望什么超级火山大喷发把新鲜的LLVP捎带一小坨上来，都是不现实的。甚至这个时候，连地震波也显得爱莫能助——道理很简单：咱这个小地球也不能天天大地震不是。


这已然是科学的疆界，而突破边界的，是想象力和运算力的圆舞。


很简单：在计算机里模拟地幔的物理参数，然后手搓一个忒伊亚糊上去，看看赛博忒伊亚是否会沉入电子地幔。


于是它就真沉进去了，而且沉入后表现出的地球物理性质也跟今日的LLVP几无相异。


按说故事到此也就为止了，验证了科学家充满想象力、却又没有什么不对的想象。但LLVP本身还有一个不能忽视的特质——作为“异物”的它们，与周围地幔的物理性质差异十分显著，很容易在地核的加热下大规模上浮，突破周围地幔的阻力，然后一路升腾，直至冲击地壳、刺破地表。


在地球历史上，当类似的场景发生，刺破地表的巨量岩浆将诱发极端旺盛的岩浆喷溢，而同时期的生物圈，却发生了大规模的集群灭绝事件，一度抹去了高达70%、80%乃至90%的物种数量。


二叠纪-三叠纪生物大灭绝，便伴随着大规模的火山喷发活动 | José-Luis Olivares/MIT


地质学家把这样的升腾之流，叫做超级地幔柱（superplume）。眼下还没有人说得清楚，在不久的未来，它们究竟会不会再一次升腾。


亘古之物不时向生命世界亮出它蛰伏于地底的獠牙。尽管如此，LLVP及其孕育的地幔柱在地球历史上却着实算不上永远的破坏者。


“地下之月”毕竟贮存着星核释放的光和热。在地球几度冰封的岁月里，或许是它为地球解了围，令地表重新恢复生机；在板块凝聚、大陆漂移几近停滞的周期里，或许是它重新驱赶板块们四处漂流，并重新创造了新生的大洋。


太初冲撞，天地双子，一同陪伴着我们的行星。这是跨越亿万年的共存与演化 | nature.com / Hernan Canellas


就这样，原行星的余韵，至今仍在我们的头顶和我们的脚下活跃着。忒伊亚的双子，深度融入了地球的演化历史。时而为其孕育，时而为其扰动，最终在智慧降临于世的时代，得以成为智慧生命的研究对象，从此在文明的记录里，留下了存在的想象与证明。


我们与“月之一族”的对话显然还要继续。为了过去，也为了未来。


参考文献

[1] Yuan et al.， 2023. Moon-forming impactor as a source of Earth’s basal mantle anomalies， Nature， 623， 95–99.


本文来自微信公众号：果壳 （ID：Guokr42），作者：溯鹰，编辑：Steed