月球如何誕生？科學家最新理論將顛覆傳統觀點

圖中是藝術家描繪的「索內斯蒂亞（Synestia）理論」，一顆假設天體由岩石蒸汽構成，它可能孕育月球。

1973年12月13日，宇航員哈里森?施密特（Harrison Schmitt）在月球「寧靜海」區域行走至一塊岩石。

教科書中提及月球是形成於火星質量大小的星球碰撞地球時形成的，但是最新證據對該觀點提出置疑，研究人員認為月球以新的方式誕生。

置疑「忒伊亞星球理論」

1973年12月13日，宇航員哈里森·施密特（Harrison Schmitt）在月球「寧靜海」區域行走至一塊岩石，當時，他向指揮官尤金·塞爾南（Eugene Cernan）彙報稱，這塊岩石擁有較小的滑動軌跡，一直延伸至山丘，這塊岩石從山坡滾落留下了痕迹。隨後他在這塊岩石上採集了一些樣本。

施密特從這塊岩石上鑿取部分樣本，之後他使用耙子刮掉岩石表面上的岩石粉末，鑿取一塊岩石樣本將其命名為「橄長石76536」，它具有一定的歷史研究意義。

這塊岩石及其它月球岩石樣本，將揭曉月球是如何形成的，在過去的40年里，教科書和科學博物館無數次地講解了月球是如何形成的，普遍觀點認為，月球形成於胚胎地球和類似火星的岩石星球之間的災難性碰撞。這顆岩石星球被命名為「忒伊亞（Theia）」，其命名源自誕生「月之女神塞勒涅」的希臘女神忒伊亞。科學家猜測，忒伊亞星球猛烈撞擊地球，撞擊碰撞非常快，導致兩顆星球同時融化，最終，忒伊亞星球的殘骸冷卻凝固，形成現今我們所看到的月球。

但是近年來科學家對「橄長石76536」和其它月球、火星岩石樣本進行測量，對「忒伊亞星球理論」提出了置疑。在過去5年時間裡，一系列研究暴露出一個問題：「忒伊亞星球理論」作為權威性理論，這種巨大碰撞假說無法與相關證據相匹配。如果忒伊亞星球碰撞地球，之後形成月球，那麼月球是由忒伊亞類型物質構成，但是月球並不像忒伊亞星球，也不像火星，就月球物質的原子結構而言，它幾乎和地球完全一樣。

面對這一差異性，月球研究員尋求新的理論來理解月球是如何誕生的，最明顯的解決方案也可能是最簡單的，同時，最新理論也對理解早期太陽系提出了更多挑戰：第一種可能是或許忒伊亞星球形成月球，但是忒伊亞星球物質幾乎與地球物質相同；第二種可能是該碰撞過程徹底混合了任何事物，均質化全異團狀物質和液體，就像使用麵糊攤薄餅一樣，這可能發生在一個非常高能量的碰撞過程，或者產生多顆衛星的系列碰撞，之後多顆衛星結合在一起；第三種解釋將挑戰我們對行星的認識，有可能現今的地球和月球經歷了奇特的變形，瘋狂的軌道變化顯著改變了它們的旋轉，並影響了它們未來演變。

美國加州大學戴維斯分校行星科學家薩拉?斯圖爾特和她的學生哈佛大學西蒙?洛克。

四種方式形成月球

大型碰撞理論形成於上世紀70年代，是指一顆叫做「忒伊亞」的火星大小岩石星球與年輕地球發生碰撞。此次碰撞形成盤狀殘骸，最終合併形成月球。近期研究發現了該理論的矛盾性：大型碰撞事件表明，月球應當是由類似忒伊亞星球物質構成，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。

「索內斯蒂亞（Synestia）理論」是指原始地球擁有充足能量，可以蒸發兩個天體，形成一個叫做「索內斯蒂亞」的新宇宙天體結構，旋轉的熾熱殘骸雲徹底混合了忒伊亞和地球的物質，從而形成一個具有完全相同地質化學成分的地球-月球系統。

小衛星理論顯示，月球並非形成於一次大型撞擊事件，每次月球大小碰撞體形成殘骸盤，最終合併形成一顆小衛星。連續碰撞逐漸增加小衛星數量，所有小衛星最終結合形成月球。

雙碰撞過程可能是最簡單的月球形成理論，該理論顯示忒伊亞與年輕地球構成物質相同，這種可能性很大程度上挑戰了我們對行星系統形成的認知。

關於忒伊亞星球理論的壞消息

為了理解地球最重要的日子發生何種變化，將有助於分析太陽系的早期階段，45億年前，太陽被熾熱、環形殘骸雲包圍，恆星形成元素盤繞在新生太陽周圍，並逐漸冷卻，歷時萬古時代，在一個我們無法理解理解的過程中，逐漸形成團狀物質，形成微行星，之後逐漸形成體積較大的行星。這些岩石天體猛烈頻繁碰撞，並且彼此汽化，這是一個難以形容殘酷的「撞球地獄」，地球和月球逐漸形成結構。

為了形成當前的月球結構大小、旋轉和遠離地球的速度，我們最佳計算模型表明，任何與地球發生碰撞的天體，都應當具有火星體積大小。任何更大或者更小的天體將產生比我們看到更大的角動量，同時，一個更大的拋射運動將拋出更多的鐵元素進入地球軌道，形成月球的鐵含量比現今更多。

之前對「橄長石76536」和其它月球岩石樣本的地球化學分析進一步支持該理論，他們發現月球岩石可能源自月球岩漿海洋，這種環境僅形成於一次大型天體碰撞。橄長石可以漂浮在岩漿海洋之上，就像是冰山漂浮在南極洲海面。基於這些物理約束，科學家推測月球可能形成於忒伊亞星球殘骸，但這過程存在一個問題。

追溯至早期太陽系，當岩石星球碰撞和蒸發，它們的成分混合在一起，最終形成不同區域。越接近太陽，其表面溫度越高，較輕元素很可能升溫和逃逸，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，岩石星球可以保持較多的水分，並保持較輕的同位素。正因為如此，科學家能夠檢測天體的混合同位素，從而鑒定分析太陽系從何而來，這就像帶有一定口音的話語可透露出他的家鄉所在地。

這些差異非常顯著，可用於分類行星和隕石類型，火星的化學成分完全不同於地球，例如：通過測量3種不同氧同位素比率，火星表面上的隕石可以很容易鑒別。2001年，瑞士研究人員使用先進質譜分析法重新測量了「橄長石76536」和其它30多個月球樣本，他們發現這些樣本的氧同位素與地球沒有區別，此後，地球化學家研究了地球和月球上的鈦、鎢、鉻、銣、鉀和其它很難識別的金屬元素，結果顯示這兩顆星球幾乎完全相同。

這對於忒伊亞星球理論是個壞消息，如果火星與地球、忒伊亞存在顯著差異，那麼月球也和火星差異較大，如果它們是相同的，則意味著月球一定是由地球的熔化部分形成，阿波羅任務採集的岩石樣本與物理學所堅持原理存在直接衝突。

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：「這一『規範模型』正處於危機之中，當前雖未被完全推翻，但是已遭到科學界的嚴重置疑。」

synestia理論認為，類似百吉餅的蒸汽岩石雲環繞著一顆岩石行星。

美國芝加哥大學地質物理學家尼古拉斯?達普哈斯手中拿著一塊頑輝石，這是一種源自小行星的岩石，同時也存在於地球，右圖是地球上的頑輝石。

月球源自蒸汽盤

斯圖爾特曾試圖協調該問題的物理限制，即需要一定體積、保持一定速度的撞擊天體，並具有最新地質化學證據。2012年，她和搜尋地外文明研究所（SETI）的馬蒂亞·庫克（Matija ?uk）提出月球形成的最新物理模型。他們認為，當忒伊亞星球碰撞地球時，早期地球處於「旋轉舞」狀態。這種碰撞將產生一個盤狀結構，盤旋在地球周圍，有點兒像土星環，但是它僅持續大約24小時。最終，這個盤狀結構會冷卻凝固成月球。

如果超級計算機不夠強大，則無法完全模擬這一過程，但是計算模型表明，一顆天體拋射撞擊快速旋轉星球，將剝離大量地球質量，同時忒伊亞星球和地球的質量融合在一起，可以形成一顆星球，具有地球相同的同位素比率。

然而，對於快速旋轉的地球解釋論而言，這一觀點是正確的，然而，還有其它一些因素減緩了地球自轉速度。在2012年的研究中，斯圖爾特和庫克認為，在某個特定軌道-共振相互作用下，地球可能將角動量轉移至太陽。之後美國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-月球系統中抽離出來。

但是沒有一個解釋令人完全滿意。斯圖爾特稱，2012年進行的計算模型仍無法解釋月球的軌道或者月球的化學成分。2016年，美國哈佛大學研究生西蒙·洛克（Simon Lock）和斯圖爾特的學生建立了一個升級模型，提出一個之前未識別的行星結構。

在這個理論中，地球和忒伊亞的每一部分都汽化形成一個膨脹雲，其外形有點兒像一個厚百吉餅。膨脹雲旋轉速度非常快，達到「共轉極限」臨界點，膨脹雲外側邊緣汽化成岩石環，其旋轉速度非常快，逐漸使膨脹雲形成一個新的結構，這是一個「肥胖的盤狀結構」盤旋在內部區域。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，也不像之前的巨大碰撞月球形成理論模型。

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。

考慮到膨脹雲不同尋常的特徵，洛克和斯圖爾特認為月球的原始體應當起一個新名字，他們嘗試了多次，最終命名為「索內斯蒂亞（Synestia）」，他們使用了希臘語前綴「syn-」，意思是同步，並且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：「這些天體並非你想像的那樣。」今年5月，斯圖爾特和洛克撰寫一篇關於Synestia物理學特徵的文章，他們指出，Synestia月球起源論仍需進一步驗證。他們將這一觀點發表在行星科學會議上，表示他們的同事對此非常好奇，但卻很難認同該觀點，這可能是因為Synestia理論仍是一個觀點，它不同於太陽系的環狀行星，同時，作為原行星盤，雖然普遍存在於宇宙，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。」

小衛星群

在太陽系的天然衛星中，地球的衛星可能最獨特，因為僅存在一顆。水星和金星缺少天然衛星，部分原因是它們距離太陽太近，引力作用使它們的衛星軌道非常不穩定。火星有體積較小的火衛一和火衛二，有些人認為這是被俘獲的小行星，還有一些人認為這是火星撞擊形成的。同時，氣態巨行星被一些衛星盤旋，一些衛星是岩石結構，一些衛星存在水，一些衛星是存在水的岩石結構。

與太陽系的其它衛星相比，地球衛星的體積和質量較大，月球質量大約是地球質量的1%，而其它外部行星的衛星總質量低於主行星質量的0.1%，更為重要的是，月球包含著地球-月球系統80%的角動量。也就是說，月球對地球-月球系統80%的運動密切相關，對於其它外部行星衛星而言，它們僅占該系統不足1%的角動量。

然而，月球並非始終具有這些質量，月球的表面結構證實它終身遭受碰撞轟擊，以色列魏茨曼科學研究所行星科學家拉盧卡·魯夫（Raluca Rufu）稱，很可能月球的形成經歷了多重碰撞。

魯夫在2016年發表的一篇研究報告中指出，地球的衛星並非「原始月球」，她進行模擬計算顯示，至少是十幾次碰撞事件，天體從不同角度、不同速度碰撞地球，形成一個盤狀結構，最終形成「小衛星群」，本質上講，這些小衛星體積小於現今的月球，小衛星之間的交互作用，以不同角度進行融合，最終形成現今看到的月球。

行星科學家對魯夫2016年發表在的研究報告非常感興趣，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進行驗證。

魯夫並不確定是否這些小衛星鎖定在它們的軌道位置，就像月球始終保持相同的方向朝向地球。如果是這樣的話，她並不確定這些小衛星是如何合併的，這將是我們需要解決的問題。

與此同時，一些專家認為另一種解釋可以揭曉地球和月球之間的相似性，這可能是非常簡單的答案。從synestia理論至小衛星理論，新的物理模型可能都沒有實際意義，很可能月球就僅是類似於地球而已，就像科學家假設的忒伊亞星球一樣。（葉傾城）

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