皓月何以當空照，新說直指大碰撞

我們地球的衛星月球是太陽系中非常獨特的天體。現在，一項新的理論對月球的來源做出解釋，並對原有的「大碰撞」理論提出挑戰。研究結果 2016 年10月31日發表於《自然》雜誌。

翻譯：訪冬

審校：卓思琪

月球勘測軌道飛行器於2009年6月拍攝的月球近地面的合成圖像，可觀察到月球這一側深色的月海。

對於地球來說，月球作為衛星的體積有些太大了，而且除缺少很久以前逸散掉的易揮發性物質，地月在成分上幾近相同。加利福尼亞大學戴維斯分校地球行星學教授、論文第一作者 Sarah Stewart 指出，這讓月球在太陽系的主要天體中獨樹一幟。

目前，月球形成的教科書理論是「大碰撞」理論：在太陽系形成的晚期，一些行星大小的高溫天體間會產生相互碰撞。其中，一個火星大小的天體撞上了當時的地球，並拋灑出了大量碎片。而這些碎片聚合形成了月球，其中大約60%來自撞擊體。這一碰撞也塑造了地月系統的角動量，並讓早期地球具有5小時的自轉周期。千萬年後，月球逐漸遠離地球，地球的自轉也逐漸減慢到今天的24小時。

「大碰撞」理論是這樣推演而出的：科學家們通過觀察月球現在的運行軌道，計算在潮汐力作用下地月系統角動量的快速轉移，再反推得到初始狀態。

但是這種理論存在兩個問題。其一，月球的化學構成與地球驚人相似，不符合「60%的組成來自撞擊體」。其二，月球當前軌道與赤道傾斜交叉，如果月球由環繞地球赤道運行的一團物質聚集而來，那麼它應該依然在地球赤道上空運轉。這意味著月球的軌道形成還有其他的力量參與其中。原有大碰撞理論無法對此做出解釋。

解釋一切的另一種可能

加州山景城 SETI 研究所科學家Matija ?uk、馬里蘭大學的 Douglas Hamilton 以及哈佛大學的 Simon Lock 共同提出了一種新模型，重新詮釋了月球如何到了它現在所處的位置。

在「大碰撞「模型中，地球的初始傾角接近當前的23.5度（上圖）。最開始，月球是在地球赤道平面內運行的；之後，月球軌道沿平滑的路徑從赤道面向黃道面（地球圍繞太陽運行的平面）過渡。而新模型假設：如果地球在碰撞過後的初始傾角更大（大約75度，下圖），那麼月球軌道從赤道面到黃道面的過渡則是劇烈波動的，導致沿黃道面出現較大擺動。下圖符合當前月球軌道與黃道的5度夾角。

Credit: Douglas Hamilton

早在2012年，?uk 和 Stewart 就提出，地月系統的一部分角動量可能轉移到了日地系統中。由此可推測以開始時的大碰撞的能量可能更高。

在新模型中，高能碰撞導致原始地球大量的物質蒸發和融化。此外，模型中的地球的自轉時間成為2小時一天，而自轉軸朝向太陽。

由於大碰撞的能量更高了，撞擊後原地球和撞擊物混為一體，而月球和地球都源自這一整體，因此有相似的物質構成。

由於潮汐引力逐漸削弱了地月系統的角動量，月球逐漸遠離地球。當它到達「拉普拉斯平面過渡點（La Placeplane transition）」時，地球對月球的引力開始小於了太陽對月球的引力。這造成了地月系統的一些角動量轉移到日地系統中。

角動量的轉移雖然並未對地球的軌道造成顯著影響，但卻把地球扶正了。因此新模型顯示的月球軌道與赤道面的夾角更大。

之後的幾千萬年，月球繼續緩慢而持續的遠離地球，直到它到達第二個過渡點。在這裡，月球軌道的傾角減小到5度左右，這便差不多與當前情況一致。

Stewart說道，「新理論中，最開始僅一次的大碰撞就能對月球軌道和化學構成做出完美的解釋。因此，月球軌道的形成可以總結為——

一次大碰撞觸發了一系列的事件。」

文章來源 http://phys.org/news/2016-10-theory-moon.html

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論文信息

【題目】Tidal evolution of the Moon from a high-obliquity, high-angular-momentum Earth

【作者】Matija ?uk et al,

【期刊】Nature

【日期】2016-NOV-17

【DOI】10.1038/nature19846

【論文摘要】

Inthe giant-impact hypothesis for lunar origin, the Moon accreted from anequatorial circum-terrestrial disk; however, the current lunar orbitalinclination of five degrees requires a subsequent dynamical process that isstill unclear1, 2, 3. In addition, the giant-impact theory has been challengedby the Moon』s unexpectedly Earth-like isotopic composition4, 5. Here we showthat tidal dissipation due to lunar obliquity was an important effect duringthe Moon』s tidal evolution, and the lunar inclination in the past must havebeen very large, defying theoretical explanations. We present a tidal evolutionmodel starting with the Moon in an equatorial orbit around an initially fast-spinning,high-obliquity Earth, which is a probable outcome of giant impacts. Usingnumerical modelling, we show that the solar perturbations on the Moon』s orbitnaturally induce a large lunar inclination and remove angular momentum from theEarth–Moon system. Our tidal evolution model supports recenthigh-angular-momentum, giant-impact scenarios to explain the Moon』s isotopiccomposition6, 7, 8 and provides a new pathway to reach Earth』s climaticallyfavourable low obliquity.

論文鏈接：http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7629/full/nature19846.html