加利福尼亚大学戴维斯分校的行星物理学家萨拉·斯图尔特（Sarah Stewart）最近赢得了麦克阿瑟基金会奖金——众所周知的“天才奖”。因她在月球起源方面的工作，颠覆了之前几十年的理论，而被授予625 000美元奖金。
她对《鹦鹉螺》（Nautilus）杂志谈起关于奖金的授予：“仅仅说要给你机会做一些事情，而不告诉你要做什么，这是令人惊讶的概念，自由且不同寻常。”她对这个奖项的表彰感到特别激动。基金会访问了她的若干同事，这是审查过程的一部分。她说：“我真的很感激我的同事，实在太令人激动了。”
在世界空间周（World Space Week）期间，《鹦鹉螺》杂志对斯图尔特进行了访谈。2018年世界空间周的主题是“太空联结世界”，这促使她用该主题作为标题写了一首诗。杂志方询问了她的实验室如何通过模拟行星碰撞的压力和温度实验，从而得到月球形成的模型。如下是访谈的主要内容。
太空如何将我们联结在一起？
如今对于太空的各种分歧逐渐凸显，借本次世界太空周举办之际，我将我所写的内容作为对此的回应。惊奇和新鲜事物的空间探索和发现是联结每个人和享受自然深邃之美的方式，我希望我们花更多的时间来谈论那些让我们联结在一起的事物。
以月球为例，请为我们简要介绍它的起源理论。
俄罗斯天文学家维克托·萨夫罗诺夫（Viktor Safronov）一直在研究行星演化的模型。他发现，当天体演化至亚行星或原行星大小时，会发生碰撞。随后，其他几个研究小组各自提出，一次猛烈的撞击形成环绕地球的盘，月球通过此盘吸积物质而形成。在过去的50年中，该模型变得定量可测，模拟结果表明，月球应该主要由撞击原始地球的物体构成。
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舍弃了这一观点。阿波罗任务发现，月球实际上是地球的孪生体，尤其是它的地幔，主要元素和同位素比率是相同的，不同重量的元素就像指纹，以相同的丰度存在。除了地球和月球之外，太阳系的每颗小行星和行星都有不同的指纹。因此，巨大撞击假说是错误的。这就是科学工作的方式：巨大撞击假说一直存在，因为没有其他证实的模型。
你关于月球形成的观点有什么不同？
我们挑战了巨大撞击说。通过挑战，我们特别移除了最初约束之一。最初的巨大撞击用来衡量地球上1天的长度，因为角动量（线性动量的等效转动）是守恒的物理量：如果我们在时间上倒退，月球会接近地球。在月球形成时，地球将以5小时为1天的速度旋转。因此，所有巨大撞击说的模型都倾向于在巨大撞击之后，地球的1天为5小时。我们所做的是：“那么，如果月球形成后有改变角动量的方法呢？”这势必要通过与太阳的动力学相互作用，这意味着我们可以让地球旋转大幅加快，我们正在探索的是关于巨大撞击后地球的1天为2或3个小时情况下的模型。
在你们的模型里，快速旋转的地球会发生什么？
令人惊奇的是，当地球炽热、气化、快速旋转时，它不再是行星。存在一个界限，超过这个界限，所有的地球物质都不能在共转物体中停留，我们称之为共转极限。超过共转极限的物体形成新的物体，我们称之为索内斯蒂亚（synestia），这是希腊语的衍生词，表示连接共生的结构。Synestia是不同于行星加盘的物体，它具有不同的内在动力。在这种热汽化状态下，盘中的热气体不能落到行星上，因为行星的大气层会将气体推出。最后发生的是：形成synestia的岩石蒸汽通过空间辐射而冷却，在synestia的外部形成岩浆雨，岩浆雨通过吸积形成月球，而冷却后的岩石蒸汽成为地球。
Synestia的概念是如何产生的？
2012年，我和马蒂亚·库克（Matija?uk）发表了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，那不是我们从模型中推导出的任何东西。直到两年后，我和我的学生西蒙·洛克（Simon Lock）在看不同的图片（我们以前从未从相同的模拟中获得的图片）时，我们才意识到，我们对后来发生的事情的解释是不正确的。有一段时间我们坐在一起，讨论撞击后的盘如何在地球周围演化，我们意识到它不是标准的盘。这些synestia可能已经在人们的计算机系统中存在了相当长时间，没有人真正将它们确定为不同的东西。
Synestia的尺寸超过月球当前轨道吗？
它本来可以更大。具体有多大，取决于撞击的能量和旋转的速度。我们对此没有精确的限制，因为一系列的synestia都可以产生月球。
地球处在synestia状态会有多长时间？
Synestia是非常巨大的，但它不会持续很长时间。因为岩石蒸汽非常热，而且我们在太阳系的位置离太阳足够远，我们的平均温度比岩石蒸汽低，synestia冷却得非常快。因此，在它看起来像正常行星之前，这种状态可以持续1 000年左右。至于具体持续多久，取决于地球周围的太阳系发生了什么。为了成为长寿命的物体，它必须离恒星非常近。
萨拉·斯图尔特
撞击原始地球的物体的尺寸有多大？
我们无法确切描述，因为不同的质量比、撞击角度、撞击速度可以形成具有足够质量和角动量的synestia，从而形成月球。我不知道我们能否确切知道什么撞击了我们，但可能有办法约束这些可能性。一种方法就是观察地球深处，探寻撞击事件大小的可能线索。来自深地幔的化学示踪表明：即使通过月球形成事件，地球并没有完全熔化和混合。一些物体从靠近地核-地幔边界处，通过海洋岛玄武岩（有时也称为地幔柱），再通过整个地幔到达地表；这可以作为撞击事件的上限。因为地球和月球这两个天体的地幔非常相似，所以可以用来确定撞击事件的下限。这样我们将获得一个范围，此范围可能会满足不同大小撞击的配置。
需要多少能量才能形成synestia？
巨大撞击是巨大能量的事件。以撞击的动能而言，事件的能量在数小时内释放。所涉及的能量与太阳的能量或光度相似。当你把太阳的能量倾倒在这个星球上时，我们就真的不能将地球看作像地球的任何东西。
Synestia有多常见？
事实上，我们认为在岩石行星的形成过程中会经常发生。我们还没有观察巨大的气体行星，对于它们有一些不同的物理机制。但对于像地球这样的岩石天体，我们试图统计估计synestia出现的频率。对于宇宙中任何地方的地球质量级别的天体来说，天体在演化过程中至少有一次会处在synestia状态，产生synestia的可能性随着天体尺寸的增加而增加，超级地球在某些时候也应该处于synestia态。
你说过在行星形成过程中所达到的所有压力和温度现在都可以在实验室中达到。首先，让我们了解一下这些压力和温度的大小，并告诉我们在实验室中如何实现它们。
地球中心的温度是几千度，有数百亿帕的压力，大约是地球表面压力的300万倍。木星的中心甚至更热，在巨大撞击中，当天体碰撞在一起时，木星的中心压力可以短暂达到。巨大撞击和木星的中心压力大约是行星形成过程中所能达到的压力和温度的极限情况：即几万度、百万倍的地球压力。为了模拟这个条件，我们需要将能量很快地倾倒在我们的岩石或矿物上，来产生冲击波以达到这种幅度的压力和温度。我们使用地球上或岩石行星的主要矿物，我们研究了铁、石英、镁橄榄石、顽火辉石和不同的合金成分。其他人研究了木星的氢氦混合物，研究了天王星和海王星的冰。在我的实验室里，我们有轻瓦斯枪，基本上就是大炮，使用压缩氢，我们可以发射一个金属飞盘（薄盘），速度几乎可达到每秒8公里。我们可以达到地球的核心压力，但是在我的实验室里无法达到巨大撞击的压力范围或者木星的中心压力。不过桑迪亚Z型机器（利用磁力发射金属盘的大电容器）可使飞盘速度达到每秒40公里。利用劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的国家点火装置激光器，我们能够到达木星中心的压力。
发射飞盘时会发生什么？
目标气化后会变成尘埃，然后再次冷却。这是非常具有破坏性的实验。你必须实时测量几十纳秒内的波速，我们可以将此转换为压力。我的小组花了很多时间研究测量温度的方法，试图找到不同阶段的边界。这项追寻月球起源的工作重点研究气化地球物质需要什么以及确定岩石沸点。我们需要知道什么时候它会气化，以便计算何时天体会变成synestia。
你如何使用你的实验结果？
在我们的计算机程序代码中运行的是行星的简化版本。通过我们的实验，我们可以模拟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系统的压力和温度，你就可以询问关于真实行星多组分化学的更详细问题。在2018年发表的月球文章里，有两大部分：一是对巨大撞击的简化模型，给出了synestia的压力温度范围；另一部分研究系统在高压高温以及冷却条件下的化学性质。
接到麦克阿瑟基金会的电话是什么感觉？
确实很出乎意料。他们打电话给我，我接了电话，电话另一端有三个人，他们说他们来自麦克阿瑟基金会。我知道那意味着什么，我没能再听下去，因为这实在是一个惊喜。对我来说，这可能只是暂时的虚幻，意味着我可能需要一些时间才能真正沉浸于此。
你是如何开始研究行星物理学的？
我喜欢科幻小说，我并不认为自己会成为科学家。但在高中的时候，我拥有杰出的数学和物理老师，他们真的抓住了我的兴趣，所以当我上大学的时候，我想成为物理专业的学生。我很快了解到，天文学家非常欢迎本科生加入研究，因为这项工作对于具有本科技能的人来说非常容易，我遇到了非常棒的科学家，这开启了整个职业生涯。
如果没有成为科学家，你会做什么工作呢？
这很难说，因为它一直是我的理想。在大学里我参演了很多戏剧，戏剧胜于家庭作业。我最好的戏剧经历是执导《恶魔理发师》，那真是太神奇了。所以我真的很羡慕我的一些朋友追求戏剧化的生活，那是可以怀念的事情，只可惜那会是一条艰难的道路。
美国国家宇航局正在庆祝其60周年纪念日。作为研究太空的科学家，这对你意味着什么？
我感觉我们在60年里学到了很多东西，因为我们已经首次访问了太阳系的所有星体。但同时，每次到达新的星体，我们都感到非常惊奇。因此，在某些方面，我们仍然处于行星科学的初期，我们正在努力研究基础知识。那是非常激动人心的时刻，我们仍然处在非常大的增长曲线上。
资料来源 nautil.us