月球是咋来的?科学家:最好的答案能在金星上找到

出品|网易科学人栏目组

译者|小小

在过去40多年间，教科书中提及月球起源时都认为，与火星质量相当的岩石星球与地球发生剧烈碰撞，从而促使月球诞生。但是最新证据对这种观点提出了置疑，月球诞生的方式再次成为焦点。

图1：艺术家设想的天体索内斯蒂亚(Synestia)，它由蒸发岩构成，可能是月球诞生的母体

1972年12月13日，阿波罗17号宇航员哈里森·施密特（Harrison Schmitt）在月球“宁静海（Sea of Serenity）”区域行走时遇到一块巨石。他向指令长尤金·塞尔南（Eugene Cernan）汇报称：“这块石头有自己的滑动轨迹，直通右侧的山上。”他还指着岩石从山坡上滚下来时留下的痕迹，塞尔南要求他收集部分样品。

施密特需要从巨石上凿下碎片，然后利用工具刮下粉末，以便采集岩石样本。这个样本后来被命名为橄长岩76536，并被载入历史。这块巨石和它的巨石兄弟们，将继续讲述整个月球是如何形成的故事。

在过去40年间，无数教科书和科学博物馆都宣称，月球是胚胎期的地球和火星大小的岩石星球发生灾难性碰撞产生的。这颗岩石星球被命名为忒伊亚（Theia），即生下月之女神塞勒涅（Selene）的希腊女神。忒伊亚曾与地球发生激烈碰撞，而且碰撞速度相当快，导致2颗星球都被融化。最终，忒伊亚残留的碎片冷却凝固，形成我们今天所看到的月球。

然而通过对橄长岩76536与其他从月球和火星采集到的岩石样本进行现代化研究，不禁令人怀疑起月球起源故事。在过去的五年里，许多研究都暴露出这样一个问题：即使拥有巨大影响力的假说，也没有相关证据进行佐证。如果忒伊亚撞击地球，并导致后来形成了月球，那么月球应该是由类似忒伊亚星球材料构成的。但月球既不像忒伊亚也不像火星，从原子角度看，它与地球几乎一模一样。

图2：第一个成为宇航员的科学家施密特在执行阿波罗17号任务期间收集月球岩石标本

面对这种差异，月球研究人员正寻求新的思路来解释月球形成的原因。最明显的解决方案也可能是最简单的，但最新理论也对了解早期太阳系的形成造成其他挑战。月球起源最新理论：第一种可能是忒伊亚的确塑造了月球，但忒伊亚的材料构成几乎与地球完全相同。

第二种可能性是撞击过程彻底混合了所有事物，导致不同的团状物质和液体完全均匀化，就像煎饼面糊那样。这可能发生在极高能量的撞击中或者是一系列的撞击中，首先产生了许多卫星，它们最终合并成为月球。第三种解释挑战我们对行星的认识。可能是我们今天所熟知的地球和月球曾发生奇怪的蜕变，疯狂的轨道变化戏剧性的改变了它们的旋转方式，并影响到它们的未来演变。

形成月球的4大理论

图3：月球起源4大主流理论

有关月球形成的主流理论正不断受到质疑，为此科学家们正提出新的解释方案。传统月球起源理论共分为四种，包括大型碰撞、索内斯蒂亚碰撞、小卫星以及双碰撞理论。

1.大型碰撞是月球起源的最经典理论，形成于20世纪70年代。这种理论认为，名为忒伊亚的火星大小岩石星球与年轻的地球发生碰撞。此次碰撞形成盘状残骸，最终合并形成月球。然而近期研究发现了该理论的矛盾之处：大型碰撞事件的计算机模拟表明，月球应当是由类似忒伊亚星球的物质构成，然而月球地质化学研究显示，月球是由类似地球的物质构成的。

2.索内斯蒂亚理论认为，忒伊亚与原始地球碰撞后，巨大能量导致两个天体被蒸发，从而形成名为“索内斯蒂亚”的新宇宙天体结构，这个旋转的炽热残骸云彻底混合了忒伊亚和地球的物质，从而形成了具有完全相同地质化学成分的地球-月球系统。

3.月球可能并非形成于一次大型撞击事件，而是多次更小规模的碰撞形成了月球。这种理论认为，每次月球大小的天体碰撞地球后都会形成残骸盘，它们最终合并形成小卫星。连续碰撞会不断增加小卫星的数量，所有小卫星最终结合形成月球。

4.双碰撞过程可能是最简单的月球形成理论，该理论认为忒伊亚与年轻的地球拥有相同的构成物质，可是这种可能性在很大程度上挑战了我们对行星系统形成的认知。

传统理论受到质疑

了解地球最重要的日子可能发生了什么，也有助于了解太阳系的早期演变。在45亿年前，太阳曾被炽热的环状残骸云包围着。恒星形成的元素盘绕在新生的太阳周围，并逐渐冷却，经历了无数岁月，以我们无法完全理解的方式形成团状物质，然后成为微行星，之后形成越来越大的行星。这些岩石天体发生猛烈而频繁的碰撞，彼此汽化。正是在这种无法形容的、残酷的“台球地狱（billiard-ball hellscape）”中，地球和月球逐渐形成。

为了形成我们今天熟悉的月球，包括其大小、旋转以及远离地球的速度，我们最好的计算机模型显示，无论与地球相撞的是哪种天体，其体积应该与火星大小相当。任何较大或更小的天体与地球发生碰撞都会产生比我们看到的角动量大得多的系统。角动量是描述旋转物体或旋转物体系统的运动和质量的标准，比如旋转的地球，围绕着旋转地球旋转的月球等。角动量总是守恒的，这意味着只有当其他物体参与时，它才会增加或减少。同时，更大的抛射运动也会把太多的铁元素抛投到地球轨道上，导致月球上铁含量更高。

之前对橄长岩76536和其它月球岩石样本进行地球化学分析也进一步支持该理论。他们指出，月球岩石可能源自月球岩浆海洋，这种环境只能由巨大的天体碰撞产生。橄长岩可以漂浮在岩浆海洋之上，就像是冰山漂浮在南极洲海面上那样。基于这些物理限制，科学家推测月球可能是由忒伊亚星球残骸形成的，但这个过程存在一个问题。

追溯至太阳系早期，当岩石星球发生碰撞和蒸发，它们的物质混合起来，最终沉降为不同区域。越接近太阳，其表面温度越高，较轻元素很可能因温度升高而逃逸，最终残留较重的同位素（具有额外中子的变种元素）。当逐渐远离太阳时，岩石星球可以保持较多的水分，并保留较轻的同位素。正因为如此，科学家能够检测天体的同位素混合物，从而确定它们来自太阳系的何处，这就像某人的口音可透露出其家乡所在地那样。

图4：美国加州大学戴维斯分校的行星科学家萨拉·斯图尔特（Sarah Stewart）和她的学生西蒙·洛克（Simon Lock）

这些差异非常明显，可被用来分类行星和陨石类型。例如，火星与地球的化学性质截然不同，可以通过测量三种不同的氧同位素的比值来确定火星陨石。2001年，瑞士研究人员使用先进质谱分析法重新测量了橄长岩76536和其他30多个月球样本。他们发现这些样本中的氧同位素与地球上的几乎没有区别。地球化学家已经研究了地球和月球上的钛、钨、铬、铷、钾、和其他难以识别的稀有金属，结果显示两颗星球几乎完全相同。

对于忒伊亚来说，这是个坏消息。如果火星与地球和忒伊亚明显不同，那么月球与火星也应该存在较大差异。如果它们是相同的，那就意味着月球一定是由地球熔化的碎片形成的。阿波罗任务采集的岩石样本与物理学所坚持的原理显然存在直接冲突。美国加州大学戴维斯分校行星科学家萨拉·斯图尔特（Sarah Stewart）说：“这种‘规范模型’正处于危机之中，虽然目前尚未被完全推翻，但其当前地位已经受到置疑。”

月球形成于旋转圆盘

斯图尔特始终在尝试调和这个问题的物理限制，即需要一定体积、保持特定速度的撞击天体，并具备最新的地质化学证据。2012年，斯图尔特和搜寻地外文明研究所（SETI）的马蒂亚·库克（Matija ·uk）提出了月球形成的最新物理模型。他们认为，当忒伊亚星球与地球发生碰撞时，早期地球处于“旋转舞”状态，每隔两到三个小时就要旋转1天。这种碰撞会在地球周围形成圆盘结构，就像土星环一样，但只会持续24个小时左右。最终，这个圆盘会冷却凝固成月球。

超级计算机还不足以完全模拟这个过程，但它们表明，一颗天体抛射撞击快速旋转的星球，将剥离大量地球质量，同时忒伊亚星球和地球的质量会互相融合以形成新的星球，它具有与地球相同的同位素比率。你可以将这个过程想象为用湿泥块碰触快速旋转的陶轮。

然而对于快速旋转的地球解释论而言，这一观点是正确的，可是还有其它因素减缓地球的自转速率。在2012年的研究中，斯图尔特和库克认为，在某个特定轨道共振的相互作用下，地球可以转角动量转移给太阳。后来，麻省理工学院的杰克·威兹德姆（Jack Wisdom）提出了几个不同方案，称角动量可以从地球-月球系统中被抽离出来。但没有任何解释是完全令人满意的。斯图尔特说，2012年的模型仍然不能解释月球的轨道或月球的化学成分。直到2016年，斯图尔特的学生西蒙·洛克（Simon Lock）建立了更新的模型，提出了一个以前未被承认的行星结构。

在这个理论中，地球和忒伊亚星球蒸发形成膨胀云，其外形看起来就像厚面包。膨胀云的旋转速度非常快，达到所谓的“共转极限”临界点。在膨胀云的外侧边缘，汽化的岩石快速旋转，逐渐形成一个新的结构，这是一个围绕内部区域旋转“肥胖的盘状结构”。至关重要的是，圆盘并不像土星环那样与中心区域分离开来，也不像以前的巨型撞击月球形成理论模型。

图5：黄色面包圈形环状模型，里面是微小的灰色核心。索内斯蒂亚可能由汽化岩石构成，包围着岩石行星

这种结构是难以描述的，它没有表面结构，而是融化岩石云，膨胀云的每个区域形成融化岩石雨滴。洛克表示，月球在这种蒸汽环境中逐渐成长，最终蒸汽会降温冷却，形成地球-月球系统。鉴于这种结构不同寻常的特征，洛克和斯图尔特认为它应该有个新的名称。他们尝试了多次，最终决定将其命名为“索内斯蒂亚（Synestia）”。他们使用了希腊语前缀“syn-”，意思是同步，并结合了女神赫斯蒂亚（Hestia）的名字，Synestia的意思是“共生连接结构”。斯图尔特说：“这些天体并不是你想象的那样，它们看起来也与想像不同。”

今年5月份，洛克和斯图尔特发表了关于Synestia物理学特征的论文。他们认为，Synestia月球起源论仍需进一步验证。他们在冬季和春季的行星科学会议上阐述了自己的观点，其他研究人员对此很感兴趣，但推广这种观点依然很难。这可能是因为Synestia仍然只是一个想法，不像太阳系中的环状行星。同时，作为原行星盘，虽然普遍存在于宇宙中，但迄今人们未观测到它。洛克说：“这是一个非常有趣的研究观点，可以解释月球的特征。让我们越过当前所面临的障碍，因为当前的模型似乎无法自圆其说。”

在太阳系中的天然卫星中，地球的卫星可能最为引人注目，因为它仅有一颗。水星和金星都没有天然卫星，部分原因可能是它们过于靠近太阳，引力作用会使它们的卫星的轨道非常不稳定。火星有体积较小的火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos），有些人认为它们是被捕获的小行星。而其他人认为，它们是火星撞击形成的。同时，气态巨行星都有许多卫星盘绕，有些卫星拥有岩石结构，有些上面还有水，少数卫星甚至同时具备上述两种特征。

与太阳系的其它卫星形成鲜明对比的是，地球卫星的体积和质量都更引人注目。月球质量大约是地球质量的1%，而其他外部行星的卫星总质量还不到主行星的0.1%。更重要的是，月球包含了地球-月球系统80%的角动量。也就是说，月球与整个系统80%的运动息息相关。而对于外部行星，这个值小于1%。

然而，月球可能并非始终具有这些质量，月球的表面结构证明它自从诞生起就在承受着碰撞轰击。我们为什么要假设月球只是从地球上剥离的一块石头呢？以色列魏茨曼科学研究所行星科学家拉卢卡·鲁夫（Raluca Rufu）称，很有可能是多次碰撞形成了月球。

在去年冬天发表的一篇论文中，鲁夫认为地球的卫星并不是“原始月球”。她的模拟计算显示，至少需要十几次的碰撞事件才能形成月球。不同的天体从不同的角度，以不同的速度碰撞地球，并形成盘状结构，最终凝聚成“小卫星群”。从本质上讲，这些“碎屑”的体积小于如今的月球，不同年代的卫星之间发生相互作用，使它们合并，最终形成了我们今天所熟悉的月球。

图6：计算机模拟显示，两颗小卫星互相融合形成较大的天体

当鲁夫于2016年发表自己的研究报告后，行星科学家接受了她的理论。美国西南研究所月球科学家罗宾·卡努普（Robin Canup）称，这项研究报告值得深入思考，然而当前还需要进行更多的测试以进行验证。鲁夫并不确定这些卫星是否会被锁定在它们的轨道位置上，就像月球始终保持相同的方向朝向地球。如果是这样的话，她也不确定它们是如何合并的，而这正是她要努力解决的下个问题。

与此同时，有些人转向解释地球和月球相似性的其他理论，这可能有个非常简单的答案。从Synestia理论到小卫星理论，新的物理模型可能毫无意义。很可能月球看起来就与地球相似，就像科学家假设忒伊亚星球与地球相似那样。

在太阳系中，月球并非唯一类似于地球的天体。像橄长岩76536和大批被称为顽火辉石质球粒状陨石（enstatite chondrites）的小行星就与地球分享同样的氧同位素比值。美国卡耐基科学研究所的宇宙化学家玛利亚姆·特卢斯（Myriam Telus）表示，这些小行星中的氧同位素组成与地球非常相似。一个论据是它们形成于圆盘的炎热地区，那里更接近太阳。它们也很可能是在地球附近形成的。这些岩石部分共同形成了地球，其他的结合后形成忒伊亚。顽火辉石质球粒状陨石是碎屑和残岩，永远无法结合变大，并形成具有地幔、地核的成熟行星。

今年1月份，芝加哥大学的地球物理学家尼古拉斯·多法斯（Nicolas Dauphas）认为，大部分构成地球的岩石都是顽火辉石类陨石。他表示，在相同地区形成的任何东西都是由它们构成的。构成行星的材料是在月球和地球上发现的相同预混材料，它们看起来完全相同。多法斯说：“形成月球的巨大撞击天体可能拥有与地球类似的同位素。”

加州理工大学研究忒伊亚月球起源假说的行星科学家大卫·史蒂文森（David Stevenson）表示，他认为这是过去1年中最重要的文献，它解决了困扰地球化学家们数十年的问题。史蒂文森说：“多法斯把许多理论拼凑起来，这是个聪明的想法，讲述了各种元素如何进入地球的方式。他从中找出地球形成的特定顺序理论。在这个理论中，顽辉石球粒陨石发挥了重要的作用。”

图7：多法斯握着一块顽辉石球粒陨石，这种类型的小行星可能是由形成地球的相同材料构成的

然而，并非所有人都对这个理论感到信服。斯图尔特指出，有关钨等元素的同位素比值仍然存在问题。钨-182是铪-182衰变产生的，为此钨与铪的同位素比值可充当标准，用以测试特定岩石的年龄。如果某块岩石中的钨-182更多，可以确认这块岩石形成的时间更早。但最精确的测量表明，地球和月球的钨铪比值是相同的。多法斯承认：“两个天体成分最终完美匹配需要特殊的巧合。”

月球被视为地球的永恒伴侣、银色姊妹，自古以来就是梦想家和探险家的探索目标，了解月球本身就是非常值得去做的挑战。但是它的起源故事，以及像橄长岩76536这类岩石的故事，可能只是更大史诗中的小小篇章。史蒂文森说：“我把它看作是一个更普遍问题的窗口：类地行星形成时发生了什么？”

了解Synestia可能帮助回答这个问题。洛克和斯图尔特认为，在太阳系早期，随着原行星彼此碰撞融化，Synestia就会形成。许多岩石天体可能已经开始膨胀，所以了解Synestia如何演化可以帮助科学家了解月球和其他类地行星的进化。更多来自月球和地球的样本也会提供帮助，特别是来自地幔的样品，因为地球化学家会有更多的数据筛选。他们能够分辨出地球深处储存的氧气是否相同，或者三种常见氧同位素是否存在于不同地区。史蒂文森指出：“当我们说地球和月球在三种氧同位素方面非常接近时，我们假设自己已经非常了解地球和月球。”

对太阳系起源理论的重新调整，通常基于复杂的计算机模拟，也揭示了行星诞生和迁移的方式。科学家越来越认为，我们不能指望火星来证明这个理论，因为它可能会形成在不同于地球的太阳系其他地方。史蒂文森表示，火星不应再被用作岩石行星的晴雨表。最终，月球科学家一致认为，最好的答案可以在金星上找到，金星是最像地球的行星。它在早期也可能存在卫星，只是后来失去了它。

洛克表示：“如果我们能从金星上得到一块岩石，我们就能很简单地回答这个问题（月球起源）。”但遗憾的是，现在金星探测还不在任何人的优先权清单上。没有金星上的样品，没有能够检验巨大撞击中心巨大压力和极限温度的实验室，月球科学家们必须继续设计新的模型，并不断修改月球的起源故事。