月球是怎麼來的？

在過去40多年間，教科書中提及月球起源時都認為，與火星質量相當的岩石星球與地球發生劇烈碰撞，從而促使月球誕生。但是最新證據對這種觀點提出了置疑，月球誕生的方式再次成為焦點。1972年12月13日，阿波羅17號宇航員哈里森·施密特(Harrison Schmitt)在月球「寧靜海(Sea of Serenity)」區域行走時遇到一塊巨石。他向指令長尤金·塞爾南(Eugene Cernan)彙報稱：「這塊石頭有自己的滑動軌跡，直通右側的山上。」他還指著岩石從山坡上滾下來時留下的痕迹，塞爾南要求他收集部分樣品。

圖1：藝術家設想的天體索內斯蒂亞(Synestia)，它由蒸發岩構成，可能是月球誕生的母體

施密特需要從巨石上鑿下碎片，然後利用工具刮下粉末，以便採集岩石樣本。這個樣本後來被命名為橄長岩76536，並被載入歷史。這塊巨石和它的巨石兄弟們，將繼續講述整個月球是如何形成的故事。

在過去40年間，無數教科書和科學博物館都宣稱，月球是胚胎期的地球和火星大小的岩石星球發生災難性碰撞產生的。這顆岩石星球被命名為忒伊亞(Theia)，即生下月之女神塞勒涅(Selene)的希臘女神。忒伊亞曾與地球發生激烈碰撞，而且碰撞速度相當快，導致2顆星球都被融化。最終，忒伊亞殘留的碎片冷卻凝固，形成我們今天所看到的月球。

然而通過對橄長岩76536與其他從月球和火星採集到的岩石樣本進行現代化研究，不禁令人懷疑起月球起源故事。在過去的五年里，許多研究都暴露出這樣一個問題：即使擁有巨大影響力的假說，也沒有相關證據進行佐證。如果忒伊亞撞擊地球，並導致後來形成了月球，那麼月球應該是由類似忒伊亞星球材料構成的。但月球既不像忒伊亞也不像火星，從原子角度看，它與地球幾乎一模一樣。

圖2：第一個成為宇航員的科學家施密特在執行阿波羅17號任務期間收集月球岩石標本

面對這種差異，月球研究人員正尋求新的思路來解釋月球形成的原因。最明顯的解決方案也可能是最簡單的，但最新理論也對了解早期太陽系的形成造成其他挑戰。月球起源最新理論：第一種可能是忒伊亞的確塑造了月球，但忒伊亞的材料構成幾乎與地球完全相同。

第二種可能性是撞擊過程徹底混合了所有事物，導致不同的團狀物質和液體完全均勻化，就像煎餅麵糊那樣。這可能發生在極高能量的撞擊中或者是一系列的撞擊中，首先產生了許多衛星，它們最終合併成為月球。第三種解釋挑戰我們對行星的認識。可能是我們今天所熟知的地球和月球曾發生奇怪的蛻變，瘋狂的軌道變化戲劇性的改變了它們的旋轉方式，並影響到它們的未來演變。

形成月球的4大理論

圖3：月球起源4大主流理論

有關月球形成的主流理論正不斷受到質疑，為此科學家們正提出新的解釋方案。傳統月球起源理論共分為四種，包括大型碰撞、索內斯蒂亞碰撞、小衛星以及雙碰撞理論。

1.大型碰撞是月球起源的最經典理論，形成於20世紀70年代。這種理論認為，名為忒伊亞的火星大小岩石星球與年輕的地球發生碰撞。此次碰撞形成盤狀殘骸，最終合併形成月球。然而近期研究發現了該理論的矛盾之處：大型碰撞事件的計算機模擬表明，月球應當是由類似忒伊亞星球的物質構成，然而月球地質化學研究顯示，月球是由類似地球的物質構成的。

2.索內斯蒂亞理論認為，忒伊亞與原始地球碰撞後，巨大能量導致兩個天體被蒸發，從而形成名為「索內斯蒂亞」的新宇宙天體結構，這個旋轉的熾熱殘骸雲徹底混合了忒伊亞和地球的物質，從而形成了具有完全相同地質化學成分的地球-月球系統。

3.月球可能並非形成於一次大型撞擊事件，而是多次更小規模的碰撞形成了月球。這種理論認為，每次月球大小的天體碰撞地球後都會形成殘骸盤，它們最終合併形成小衛星。連續碰撞會不斷增加小衛星的數量，所有小衛星最終結合形成月球。

4.雙碰撞過程可能是最簡單的月球形成理論，該理論認為忒伊亞與年輕的地球擁有相同的構成物質，可是這種可能性在很大程度上挑戰了我們對行星系統形成的認知。

傳統理論受到質疑

了解地球最重要的日子可能發生了什麼，也有助於了解太陽系的早期演變。在45億年前，太陽曾被熾熱的環狀殘骸雲包圍著。恆星形成的元素盤繞在新生的太陽周圍，並逐漸冷卻，經歷了無數歲月，以我們無法完全理解的方式形成團狀物質，然後成為微行星，之後形成越來越大的行星。這些岩石天體發生猛烈而頻繁的碰撞，彼此汽化。正是在這種無法形容的、殘酷的「撞球地獄(billiard-ball hellscape)」中，地球和月球逐漸形成。

為了形成我們今天熟悉的月球，包括其大小、旋轉以及遠離地球的速度，我們最好的計算機模型顯示，無論與地球相撞的是哪種天體，其體積應該與火星大小相當。任何較大或更小的天體與地球發生碰撞都會產生比我們看到的角動量大得多的系統。角動量是描述旋轉物體或旋轉物體系統的運動和質量的標準，比如旋轉的地球，圍繞著旋轉地球旋轉的月球等。角動量總是守恆的，這意味著只有當其他物體參與時，它才會增加或減少。同時，更大的拋射運動也會把太多的鐵元素拋投到地球軌道上，導致月球上鐵含量更高。

之前對橄長岩76536和其它月球岩石樣本進行地球化學分析也進一步支持該理論。他們指出，月球岩石可能源自月球岩漿海洋，這種環境只能由巨大的天體碰撞產生。橄長岩可以漂浮在岩漿海洋之上，就像是冰山漂浮在南極洲海面上那樣。基於這些物理限制，科學家推測月球可能是由忒伊亞星球殘骸形成的，但這個過程存在一個問題。

追溯至太陽系早期，當岩石星球發生碰撞和蒸發，它們的物質混合起來，最終沉降為不同區域。越接近太陽，其表面溫度越高，較輕元素很可能因溫度升高而逃逸，最終殘留較重的同位素(具有額外中子的變種元素)。當逐漸遠離太陽時，岩石星球可以保持較多的水分，並保留較輕的同位素。正因為如此，科學家能夠檢測天體的同位素混合物，從而確定它們來自太陽系的何處，這就像某人的口音可透露出其家鄉所在地那樣。

圖4：美國加州大學戴維斯分校的行星科學家薩拉·斯圖爾特(Sarah Stewart)和她的學生西蒙·洛克(Simon Lock)

這些差異非常明顯，可被用來分類行星和隕石類型。例如，火星與地球的化學性質截然不同，可以通過測量三種不同的氧同位素的比值來確定火星隕石。2001年，瑞士研究人員使用先進質譜分析法重新測量了橄長岩76536和其他30多個月球樣本。他們發現這些樣本中的氧同位素與地球上的幾乎沒有區別。地球化學家已經研究了地球和月球上的鈦、鎢、鉻、銣、鉀、和其他難以識別的稀有金屬，結果顯示兩顆星球幾乎完全相同。

對於忒伊亞來說，這是個壞消息。如果火星與地球和忒伊亞明顯不同，那麼月球與火星也應該存在較大差異。如果它們是相同的，那就意味著月球一定是由地球熔化的碎片形成的。阿波羅任務採集的岩石樣本與物理學所堅持的原理顯然存在直接衝突。美國加州大學戴維斯分校行星科學家薩拉·斯圖爾特(Sarah Stewart)說：「這種『規範模型』正處於危機之中，雖然目前尚未被完全推翻，但其當前地位已經受到置疑。」

月球形成於旋轉圓盤

斯圖爾特始終在嘗試調和這個問題的物理限制，即需要一定體積、保持特定速度的撞擊天體，並具備最新的地質化學證據。2012年，斯圖爾特和搜尋地外文明研究所(SETI)的馬蒂亞·庫克(Matija ·uk)提出了月球形成的最新物理模型。他們認為，當忒伊亞星球與地球發生碰撞時，早期地球處於「旋轉舞」狀態，每隔兩到三個小時就要旋轉1天。這種碰撞會在地球周圍形成圓盤結構，就像土星環一樣，但只會持續24個小時左右。最終，這個圓盤會冷卻凝固成月球。

超級計算機還不足以完全模擬這個過程，但它們表明，一顆天體拋射撞擊快速旋轉的星球，將剝離大量地球質量，同時忒伊亞星球和地球的質量會互相融合以形成新的星球，它具有與地球相同的同位素比率。你可以將這個過程想像為用濕泥塊碰觸快速旋轉的陶輪。

然而對於快速旋轉的地球解釋論而言，這一觀點是正確的，可是還有其它因素減緩地球的自轉速率。在2012年的研究中，斯圖爾特和庫克認為，在某個特定軌道共振的相互作用下，地球可以轉角動量轉移給太陽。後來，麻省理工學院的傑克·威茲德姆(Jack Wisdom)提出了幾個不同方案，稱角動量可以從地球-月球系統中被抽離出來。但沒有任何解釋是完全令人滿意的。斯圖爾特說，2012年的模型仍然不能解釋月球的軌道或月球的化學成分。直到2016年，斯圖爾特的學生西蒙·洛克(Simon Lock)建立了更新的模型，提出了一個以前未被承認的行星結構。

在這個理論中，地球和忒伊亞星球蒸發形成膨脹雲，其外形看起來就像厚麵包。膨脹雲的旋轉速度非常快，達到所謂的「共轉極限」臨界點。在膨脹雲的外側邊緣，汽化的岩石快速旋轉，逐漸形成一個新的結構，這是一個圍繞內部區域旋轉「肥胖的盤狀結構」。至關重要的是，圓盤並不像土星環那樣與中心區域分離開來，也不像以前的巨型撞擊月球形成理論模型。

圖5：黃色麵包圈形環狀模型，裡面是微小的灰色核心。索內斯蒂亞可能由汽化岩石構成，包圍著岩石行星

這種結構是難以描述的，它沒有表面結構，而是融化岩石雲，膨脹雲的每個區域形成融化岩石雨滴。洛克表示，月球在這種蒸汽環境中逐漸成長，最終蒸汽會降溫冷卻，形成地球-月球系統。鑒於這種結構不同尋常的特徵，洛克和斯圖爾特認為它應該有個新的名稱。他們嘗試了多次，最終決定將其命名為「索內斯蒂亞(Synestia)」。他們使用了希臘語前綴「syn-」，意思是同步，並結合了女神赫斯蒂亞(Hestia)的名字，Synestia的意思是「共生連接結構」。斯圖爾特說：「這些天體並不是你想像的那樣，它們看起來也與想像不同。」

今年5月份，洛克和斯圖爾特發表了關於Synestia物理學特徵的論文。他們認為，Synestia月球起源論仍需進一步驗證。他們在冬季和春季的行星科學會議上闡述了自己的觀點，其他研究人員對此很感興趣，但推廣這種觀點依然很難。這可能是因為Synestia仍然只是一個想法，不像太陽系中的環狀行星。同時，作為原行星盤，雖然普遍存在於宇宙中，但迄今人們未觀測到它。洛克說：「這是一個非常有趣的研究觀點，可以解釋月球的特徵。讓我們越過當前所面臨的障礙，因為當前的模型似乎無法自圓其說。」

在太陽系中的天然衛星中，地球的衛星可能最為引人注目，因為它僅有一顆。水星和金星都沒有天然衛星，部分原因可能是它們過於靠近太陽，引力作用會使它們的衛星的軌道非常不穩定。火星有體積較小的火衛一(Phobos)和火衛二(Deimos)，有些人認為它們是被捕獲的小行星。而其他人認為，它們是火星撞擊形成的。同時，氣態巨行星都有許多衛星盤繞，有些衛星擁有岩石結構，有些上面還有水，少數衛星甚至同時具備上述兩種特徵。

與太陽系的其它衛星形成鮮明對比的是，地球衛星的體積和質量都更引人注目。月球質量大約是地球質量的1%，而其他外部行星的衛星總質量還不到主行星的0.1%。更重要的是，月球包含了地球-月球系統80%的角動量。也就是說，月球與整個系統80%的運動息息相關。而對於外部行星，這個值小於1%。

然而，月球可能並非始終具有這些質量，月球的表面結構證明它自從誕生起就在承受著碰撞轟擊。我們為什麼要假設月球只是從地球上剝離的一塊石頭呢?以色列魏茨曼科學研究所行星科學家拉盧卡·魯夫(Raluca Rufu)稱，很有可能是多次碰撞形成了月球。

在去年冬天發表的一篇論文中，魯夫認為地球的衛星並不是「原始月球」。她的模擬計算顯示，至少需要十幾次的碰撞事件才能形成月球。不同的天體從不同的角度，以不同的速度碰撞地球，並形成盤狀結構，最終凝聚成「小衛星群」。從本質上講，這些「碎屑」的體積小於如今的月球，不同年代的衛星之間發生相互作用，使它們合併，最終形成了我們今天所熟悉的月球。

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圖6：計算機模擬顯示，兩顆小衛星互相融合形成較大的天體

當魯夫於2016年發表自己的研究報告後，行星科學家接受了她的理論。美國西南研究所月球科學家羅賓·卡努普(Robin Canup)稱，這項研究報告值得深入思考，然而當前還需要進行更多的測試以進行驗證。魯夫並不確定這些衛星是否會被鎖定在它們的軌道位置上，就像月球始終保持相同的方向朝向地球。如果是這樣的話，她也不確定它們是如何合併的，而這正是她要努力解決的下個問題。

與此同時，有些人轉向解釋地球和月球相似性的其他理論，這可能有個非常簡單的答案。從Synestia理論到小衛星理論，新的物理模型可能毫無意義。很可能月球看起來就與地球相似，就像科學家假設忒伊亞星球與地球相似那樣。

在太陽系中，月球並非唯一類似於地球的天體。像橄長岩76536和大批被稱為頑火輝石質球粒狀隕石(enstatite chondrites)的小行星就與地球分享同樣的氧同位素比值。美國卡耐基科學研究所的宇宙化學家瑪利亞姆·特盧斯(Myriam Telus)表示，這些小行星中的氧同位素組成與地球非常相似。一個論據是它們形成於圓盤的炎熱地區，那裡更接近太陽。它們也很可能是在地球附近形成的。這些岩石部分共同形成了地球，其他的結合後形成忒伊亞。頑火輝石質球粒狀隕石是碎屑和殘岩，永遠無法結合變大，並形成具有地幔、地核的成熟行星。

今年1月份，芝加哥大學的地球物理學家尼古拉斯·多法斯(Nicolas Dauphas)認為，大部分構成地球的岩石都是頑火輝石類隕石。他表示，在相同地區形成的任何東西都是由它們構成的。構成行星的材料是在月球和地球上發現的相同預混材料，它們看起來完全相同。多法斯說：「形成月球的巨大撞擊天體可能擁有與地球類似的同位素。」

加州理工大學研究忒伊亞月球起源假說的行星科學家大衛·史蒂文森(David Stevenson)表示，他認為這是過去1年中最重要的文獻，它解決了困擾地球化學家們數十年的問題。史蒂文森說：「多法斯把許多理論拼湊起來，這是個聰明的想法，講述了各種元素如何進入地球的方式。他從中找出地球形成的特定順序理論。在這個理論中，頑輝石球粒隕石發揮了重要的作用。」

圖7：多法斯握著一塊頑輝石球粒隕石，這種類型的小行星可能是由形成地球的相同材料構成的

然而，並非所有人都對這個理論感到信服。斯圖爾特指出，有關鎢等元素的同位素比值仍然存在問題。鎢-182是鉿-182衰變產生的，為此鎢與鉿的同位素比值可充當標準，用以測試特定岩石的年齡。如果某塊岩石中的鎢-182更多，可以確認這塊岩石形成的時間更早。但最精確的測量表明，地球和月球的鎢鉿比值是相同的。多法斯承認：「兩個天體成分最終完美匹配需要特殊的巧合。」

月球被視為地球的永恆伴侶、銀色姊妹，自古以來就是夢想家和探險家的探索目標，了解月球本身就是非常值得去做的挑戰。但是它的起源故事，以及像橄長岩76536這類岩石的故事，可能只是更大史詩中的小小篇章。史蒂文森說：「我把它看作是一個更普遍問題的窗口：類地行星形成時發生了什麼?」

了解Synestia可能幫助回答這個問題。洛克和斯圖爾特認為，在太陽系早期，隨著原行星彼此碰撞融化，Synestia就會形成。許多岩石天體可能已經開始膨脹，所以了解Synestia如何演化可以幫助科學家了解月球和其他類地行星的進化。更多來自月球和地球的樣本也會提供幫助，特別是來自地幔的樣品，因為地球化學家會有更多的數據篩選。他們能夠分辨出地球深處儲存的氧氣是否相同，或者三種常見氧同位素是否存在於不同地區。史蒂文森指出：「當我們說地球和月球在三種氧同位素方面非常接近時，我們假設自己已經非常了解地球和月球。」

對太陽系起源理論的重新調整，通常基於複雜的計算機模擬，也揭示了行星誕生和遷移的方式。科學家越來越認為，我們不能指望火星來證明這個理論，因為它可能會形成在不同於地球的太陽系其他地方。史蒂文森表示，火星不應再被用作岩石行星的晴雨表。最終，月球科學家一致認為，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衛星，只是後來失去了它。

洛克表示：「如果我們能從金星上得到一塊岩石，我們就能很簡單地回答這個問題(月球起源)。」但遺憾的是，現在金星探測還不在任何人的優先權清單上。沒有金星上的樣品，沒有能夠檢驗巨大撞擊中心巨大壓力和極限溫度的實驗室，月球科學家們必須繼續設計新的模型，並不斷修改月球的起源故事。

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