地球深处可能埋藏着一颗古老行星的残骸？是的

研究人员相当确定，我们在 45 亿年前，在另一颗名为“忒伊亚”的行星与原初地球相撞后，获得了我们最喜欢的卫星——月球。但关于“忒伊亚”的命运的细节尚不确定。它是一次擦肩而过的撞击，还是两颗行星的地幔发生了融合？

亚利桑那州立大学的地球科学家钱元和他的同事们最近提出了一条新的证据来支持后一种假设，他们认为“忒伊亚”不仅与地球融合了，而且我们可能知道其地幔的残骸现在位于地球的何处。

巨大撞击假说

“与月球相比，关于‘忒伊亚’[的了解]要少得多，”元说。“月球在那里。你有样本。人们去过那里……很少有人太在意撞击体。”

关于巨大撞击假说的大部分工作都涉及比较月球和地球上发现的同位素。它们成分的相似性表明，月球是由古老地球的一部分组成的，这意味着某种巨大的撞击将它从我们这颗“暗淡蓝点”上剥离了出去。

最初的模型估计，撞击体“忒伊亚”的大小与火星相当（约为今天地球的一半）。尽管如此，一些最近的研究表明，它可能比火星大四倍，或者大致与原初地球一样大。无论如何，大多数研究人员都同意，在撞击后，构成“忒伊亚”最密集部分的核心与地球的核心在数小时内就融合了。

与此同时，在地球上

如今，地球的地幔并非完全均匀。大约 8% 的地幔与其余部分略有不同，并在地核-地幔边界附近形成两个巨大的堆积。这两个堆积被称为“大型低剪切波速省”（LLSVPs），之所以得名，是因为当剪切波（一种地震波）穿过它们时，速度会减慢约 1% 至 2%。它们非常巨大：一个位于非洲大陆下方，另一个位于太平洋下方。

一些研究人员认为 LLSVPs 减慢剪切波是因为它们的温度比地幔其他部分高。而另一些人，如元和他的同事们，则认为它们不仅更热，而且密度更大、成分也不同。

元说，他在上行星地球化学课时，突然想到 LLSVPs 可能与“忒伊亚”有关。他回忆说，他当时正在听亚利桑那州立大学教授米沙·佐洛托夫的课，学习关于月球形成的巨大撞击假说。佐洛托夫提到，该理论中最薄弱的部分是假设中的行星“忒伊亚”——没有人发现过任何直接证据来支持它的存在。它完全消失了。在陨石、小行星带，甚至任何地方都没有发现它的证据。元回忆说，当佐洛托夫说出这句话时，“我深受触动。我想，撞击后，‘忒伊亚’会进入地球。它有没有可能进入地球并形成了 LLSVPs？”

寻找“忒伊亚”

元首先做了一些简单的计算，首先比较了两个 LLSVPs 的大小与火星地幔的大小（粗略估计“忒伊亚”的大小）。他发现这两个 LLSVPs 的大小相当于火星地幔的 80% 或 90%。当他加上月球时？“几乎完美匹配，”他说。“所以，我觉得这并非疯狂的想法。”

他翻阅了加州大学戴维斯分校的地球化学家苏乔伊·穆克霍帕德耶于 2012 年发表在《自然》杂志上的一篇论文，该论文研究了冰岛火山玄武岩中的稀有气体同位素。穆克霍帕德耶曾证明，地球的地幔是异质的，至少有两个独立的来源，而且这些来源至少有 45 亿年的历史。也就是说，比月球还要古老。“这与我们的假设是一致的，”元说。其中一个来源可能是“忒伊亚”的地幔，在撞击后保存在地球的地幔中。

接着，元转向了亚利桑那州立大学的天体物理学家史蒂文·德施，他曾在 2019 年发表了关于“忒伊亚”本身成分的新估计。德施与休斯顿月球与行星研究所的凯瑟琳·罗宾逊一起，利用阿波罗任务的月球样本成分，模拟了一个可能的“忒伊亚”，结论是它比预期的要大得多——大约是 1 个原初地球或 4 个火星行星的大小。对元来说更重要的是，德施和罗宾逊估计，“忒伊亚”的地幔比地球的地幔具有更高的氧化铁含量。这意味着它更致密，所以当两颗行星相撞时，“忒伊亚”的地幔会下沉。

元和德施联手研究，以确定“忒伊亚”的地幔成分需要是什么样的，才能在 45 亿年的地幔对流之后，仍能与今天的 LLSVPs 相似。他们发现，如果“忒伊亚”比德施的早期估计更致密，它的地幔就会下沉太多，形成一个全球性的层，而不是两个堆积。相反，他们的计算显示，“忒伊亚”的大小和密度估计值恰到好处。