地球被撞幾次才生出月亮？以前人們說是一次，但現在看起來也可能是無數次

溯鷹

松鼠名片

構造地質學博士，科學松鼠會成員，中國科普作家協會會員。從天地初開到洪荒辟離，從生物滅絕到板塊漂移......在每個亘古的歲月里，都有值得講述的有趣故事。我是溯鷹，一位回溯地球歷史的旅人，很榮幸成為您的Storyteller。

45億年前，原行星忒伊亞（Theia）撞上了地球。忒伊亞當場粉碎，地球也遭受重創。前者的大部分碎屑濺入太空，在地球引力的拉扯下散佈於環繞地球的軌道上。碎屑間頻繁碰撞、吸積，最終聚合為今日月球的雛形。

自上世紀70年代以來，大衝擊理論為我們描述的這副圖景，已然構成人們對月球起源的科學認知。它在觀感層面上「衝擊」著人們的想像力，甚至為不少災難主題的科幻作品提供了靈感來源。

然而就在2017年年初，大衝擊理論自身也遭受了一次新的衝擊。

地球如此多嬌，引得那忒伊亞竟折腰。這是解釋月球形成的經典的大衝擊理論。不過，咱們今天要挑戰它。圖片來源：picphotos.net

挑戰者名為「多重撞擊理論」，由以色列學者拉盧卡·魯夫（Raluca Rufu）牽頭提出。在這套新理論里，忒伊亞活生生變成了「忒伊亞們」，月球也成了「月球們」。等那些「忒伊亞們」挨個撞完地球，地球還要眼睜睜地看著這群小月亮在自己軌道上繼續「互相傷害」。

科學家創造出這麼一副諸月爭輝的奇觀，顯然不是讓咱們開腦洞用的。大衝擊理論還有一些歷史問題沒有解決，新理論的真正目的，就是為解決這些歷史問題提供一些新的思路。

地球挨撞免不了

現代科學解釋月球成因，為什麼非得讓地球挨撞才行呢？科學家之所以提出這麼瘋狂的猜想，是因為照理來說，像地球這種質量不太大的天體，根本沒資格擁有月球這樣的「奢侈品」。要知道，月球可是太陽系第3大衛星——正常情況下，這麼大的衛星只能是質量龐大的巨行星們的「家臣」。像地球這樣引力不足的小石頭疙瘩，連在自身的赤道面上形成一個規模可觀的塵埃盤的能耐都沒有，更甭說用引力捕獲已然發育成型的過路大天體作為衛星了。

然而，碩大的月亮又確確實實地存在於地球的天空之中。不是跟地球一起形成的，也不是靠自身的引力抓來的，那這個月亮到底是怎麼來的呢？還可以別人自己撞上來的——這就是所謂的衝擊事件。衝擊事件的必要之處在於，它能在已然發育成型的岩質星球周圍，再提供足量的塵埃物質，作為前者構築大衛星的基礎原料。在太陽系早期動力學行為上，原行星相撞這類事件本身也充分合理，甚至十分常見。

不過，以前的假說都認為，這樣的撞擊只發生了一次。如果只撞過一次，那就會遇到一個問題：在角動量守恆這條雷打不動的物理鐵律之下，人們需要讓45億年前的地月系統角動量跟45億年後的今天大體相等。為了保證這一點，忒伊亞的質量以及它撞擊地球的角度就必須得恰到好處才行。

天體動力學上的這種妥協，在行星化學上多加了一個鐐銬——如果按照算出來的角度側向相撞，濺出去的碎屑必然大部分來自於忒伊亞。碎屑形成月球之後，其化學組成應該類似忒伊亞，而非地球。

在人類還不太清楚月球化學組成的年代，當然可以隨意設想，但當阿波羅登月計劃的宇航員帶著實打實的月球樣品回到地球時，人們發現：月球的微量元素和同位素特徵居然與地球高度相似（尤其是氧、鈦、鎢這些元素的同位素配分特徵）。換句話說，作為地母蓋婭與月母忒伊亞的兒子（咦？），月球身上繼承的特點並非來自那個存在於想像中的原行星，而來自於我們腳下實打實的地球。

模稜兩可的「烏雲」

為了解決這個矛盾，人們給大衝擊理論提供了兩個可供選擇的「補丁」：一種觀點認為，在撞擊後的短暫時期內，「案發現場」是一片漫布碎屑的混沌，這片混亂的塵埃雲包裹了重傷的地球和所有被撞飛碎片。氧同位素作為揮發成分，可以在這片熾熱的塵埃帶之間自由遷移，令地月之間同位素配分比例大致相同。但是，這種解釋對鈦和鎢這類重同位素就不太適用了，原因很簡單：熔點極高的重金屬並沒有氧那麼容易自由遷移。

另一種觀點認為，忒伊亞的化學特徵原本就跟地球高度相似。一來，反正誰也沒見過45億年前的忒伊亞到底長啥樣，存在於模型之中的它，終歸是個任人打扮的小姑娘；二來，按照模型假設，忒伊亞和地球孕育於同一個公轉軌道。在太陽系尺度下，同一個公轉軌道意味著原行星盤的分異特徵基本相似。在聚合成原行星時，兩者能形成相似的初始化學組成。

這個解釋看似解決了終極問題，但發展至今的化學動力學發現，很多同位素在岩石系統中的配分行為並不僅僅由初始條件決定。天體形成之後具體而複雜的內動力地質作用，會導致某些同位素在天體之間產生巨大的差異。地球跟忒伊亞形成於同一個軌道，但之後呢？難道連兩家的私事兒還得繼續同步？動力學上已經限定忒伊亞的個頭只能跟火星一般大，在巨大的質量差異面前，基本不可能指望它倆內部化學行為也高度相似。

儘管這些補丁並不能驅散圍繞在大衝擊理論周圍的烏雲，但這一理論依然闖過了30個年頭。動力學上的獨到優勢，讓它穩坐在解釋地球早期演化史的寶座上。科學界崇尚「矛盾最少即最優」，衝擊事件作為一種「最不壞的選擇」，目前確實還沒人能夠挪得動。

既然挪不動，人們的重心就落在怎樣讓它更好上了。說到底，我們都坐在時光列車的末尾，而真相埋藏在早已駛出我們視野之外的頭節車廂。我們唯一能做的，就是根據一聲聲的笛鳴，來刻畫想像中的那個車頭的樣式。

這趟列車就這樣駛入了2017年。開年第一站，一大群原行星走上了月台。

成群結隊的原行星

帶著這群原行星走上月台的，正是這個名叫「多重撞擊」的新理論。在這個理論中，忒伊亞不復存在了，取而代之的是一群更小的原行星，每一顆的質量大概是地球的5-10%。某個時候，第一顆原行星迎面撞向了地球。這不是忒伊亞式的斜向45度角側撞，而是一次酣暢淋漓的迎面撞擊：原行星如彈頭般扎進地幔深處，比起「擦了一下腰」的忒伊亞，這場撞擊把更多的地球碎屑送上了太空。碎屑形成行星環，在不斷的碰撞融合中，慢慢聚集成月球……

……不，準確來說，是第一個月球。

因為又過了一段時間，第二顆原行星撞了過來。地球的地幔說不定還沒癒合（誰知道呢），又被撞個稀巴爛。碎屑再一次濺射出去，再一次形成行星環，再一次聚集成一個月球。現在，地球上空有兩個小月亮了。（姑且按天文學家命名的習慣，稱之為「地衛一」和「地衛二」好了。）

由於之前兩次撞擊的初始動力學參數不可能完全一致，這倆個小月亮基本不可能恰好處於動力學平衡狀態，再加上它們都要受到地球潮汐力的外推作用，「地衛一」和「地衛二」終歸會在某一天相撞，在地球自家後院里，上演一次微縮版的「大衝擊」。

注意啦，這不是土星，也不是木星，這是地球。圖片來源：Rufu et al. 2017

多重撞擊理論認為，這樣的過程可能會重複數次，甚至超過20次之多。按這套理論，當時的地球會先有今日土星那樣的光環，然後再有木星一家子那樣大大小小的僕從一堆。是不是很有趣？然而有趣的星球終會相遇……哦，是被地球潮汐力外推的小月亮們終會相撞。在一系列碰撞中，只留下了一個最終產物，就是咱們今天能在頭頂上看到的明月了。

比起忒伊亞式的孤星大衝擊，這個更熱鬧的模型，據說能夠解決我們上面所提到的那兩朵烏雲。首先是地球與月球的化學成分對比。魯夫教授認為，在這種小型天體的迎面撞擊下，拋濺物中大部分都是地球物質，這就解釋了月球成分與地球成分的相似性，為模型中施撞天體自身的化學組成帶來更多靈活調整的空間。而在動力學方面，在這種小天體頻繁出現的事件里，既然有不少撞上了地球，那麼必然會有更多與地球擦肩而過。這些過路小天體的存在，為地月系統的角動量調整，也同樣釋放了不少靈活調整的空間。

說白了，這套多重撞擊模型，其實解放了只有一顆原行星（忒伊亞）撞擊地球時，被束縛得死死的那些物理-化學參數。

那麼跟忒伊亞的大衝擊相比，多重撞擊是不是更靠譜呢？坦白講，沒人能夠評測。說到底，我們唯一確定的，就是實打實能夠看到的月亮只有這麼一個。真相只有它知道。在人們尚未在月球上取得進一步實際數據之前，爭一爭也好。說不定將來還會有月球成因的更多理論被人提出。畢竟時間最擅長的事兒，就是把真相衝刷出來。而在這之前，我們要做的，就是去擁抱更多的可能性。

編輯：Steed；排版：曉嵐歐歐

參考文獻：

1.Rufu et al. 2017. A multiple-impact origin for the Moon. Nature Geoscience. 2017(10): 89-94

2.Kelly Beatty, 2017. When and How Did the Moon Form? http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/

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本文來自果殼網，謝絕轉載

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還好當年砸過來的不是一坨鑽石，

不然地球怕是粉身碎骨了…...