月亮从哪来

苗千

人们早已经习惯看到悬挂在夜空中的月亮，或盈或亏，所谓“但愿人长久，千里共婵娟”。但是月亮带给地球的并不仅仅是美感而已，它还对地球有着巨大的引力作用，这种引力影响着地球的自转轴，如果没有月亮的牵引，地球上的气候会大大不同。不仅如此，研究月亮的来历对于研究地球自身以及整个太阳系的行星也有着重大意义。

从19世纪开始，关于月亮的形成过程逐渐形成了几个不同的科学理论。英国天文学家、数学家、生物学家查尔斯·达尔文的儿子乔治·达尔文（George Darwin）首先提出了“分裂理论”，他认为在地球还是一团进行着高速自转的炽热熔岩的时候，月亮就从地球分裂了出去，而后逐渐冷却，形成了地球目前唯一的一颗天然卫星。还有一种理论认为，地球和月亮原本是太阳系中两个独立的天体，就因为运行的轨道接近，月亮被地球的引力所捕获，才成为地球的卫星。但是这个理论的不足之处在于，人们通过计算发现，如果地球是通过引力作用捕捉到月亮，那么月亮要么会冲向地球，和地球发生剧烈的碰撞，要么就是在另外的轨道上运转，而不会稳定地运行在现在的轨道上。这个理论的一些拥护者解释说，在当时地球表面的大气层可能远比现在厚密，因此在月亮冲向地球时可能起到了一个缓冲的作用，使它稳定在了现在的轨道上。另外有一种理论是说，地球和月亮是同时形成的一个双星系统，在形成的过程中，地球获取了大部分的质量，而月亮只获得了较少的质量，因此成为地球的一颗卫星。

在1946年，美国哈佛大学的天文学家雷金纳德·达利（Reginald Aldworth Daly）对于乔治·达尔文的理论进行了调整，提出了“大碰撞理论”。这个理论认为，大约在45亿年前，在太阳系形成的早期，一个大小与火星接近的天体剧烈地撞击地球，撞击的碎片随后形成了月亮。这个理论与目前关于太阳系形成的主流理论相符合，也可以解释很多目前观测到的现象，因此最为科学界所接受，从20世纪70年代开始，大碰撞理论几乎成为月亮形成的标准理论。

但是标准理论并不是完美无缺的，对于地球和月亮成分的研究越深入，就有越多的人对于这个理论提出质疑。由一次大碰撞所形成的月亮，毕竟和地球还应该有所差别，但是从两个天体的组成来看，地球和月亮的成分几乎完全相同，这未免太过巧合，不是大碰撞理论所能解释的，难免不让人心生疑惑。

一个火星大小的天体与早期的地球相碰撞，形成地球和月亮，那么地球和月亮的成分必定会有所不同，组成月亮的应该主要是进行碰撞的天体，而地球的主要成分应该是早期的地球元素，对于地球和月亮组成的分析结果出乎人们的意料。科学家们发现，地球和月亮的成分中氧元素同位素的比例相同，无法进行分辨——这与太阳系中其他行星物质组成的情况完全不同。除了氧元素之外，地球和月亮的钨元素同位素比例也相同，这种情况比氧元素的同位素比例相同更让人难以理解，大碰撞理论很难对此自圆其说。一些科学家试图解释，在发生大碰撞之后，地球可能处于极高的温度下，因此很多物质都发生了气化。在这种情况下，可能后来形成地球与月亮的物质在气态情况下发生了混合，因此同位素的比例非常接近，无法分辨。这即便可以解释氧元素和钨元素的同位素比例情况，也仍然无法解释地球和月亮中的钛元素同位素比例也相同的情况。钛元素不可能长时间地保持气态状态，因此不可能实现地球和月亮成分中的完全平衡——大碰撞理论遇到了前所未有的危机。

在45亿年前究竟发生了什么，月亮究竟是如何形成的？大碰撞过程中是否还发生其他的过程，使得组成地球和月亮的原料可以充分混合，或是人类需要一个全新的关于月亮形成的理论？想要维持经典的大碰撞理论，如果月亮确实是由一次行星之间的大碰撞所产生，地球与月亮的成分又如此相似，那只能说明发生碰撞的两颗行星是“姊妹行星”，也就是说在45亿年前这两颗行星的成分本来就基本相同，这要比目前太阳系中的任何两颗行星之间的关系都要密切得多。根据美国西南研究所的科学家罗宾·坎普（Robin Canup）的计算，这种概率只有大约1%左右，就是说极为稀有，这让大碰撞理论看上去难以成立。

罗宾·坎普对于大碰撞理论进行了修改，她通过计算机模拟，认为是两颗大约为火星五倍大小的行星进行了两次碰撞后充分混合，才形成了现在的地球和月亮，这个过程可以解决地球和月亮成分极为类似的难题。

2015年4月9日，来自以色列理工学院、波尔多天体物理实验室和波尔多大学的几位天文学家共同在《自然》杂志上发表论文《地球和月亮成分相似性的原始起源》（A Primordial Origin For the Compositional Similarity Between the Earth and the Moon），论文主要通过计算机模拟来解释地球和月亮成分相似性与大碰撞理论之间的矛盾。他们通过计算机模拟证明，在太阳系形成的早期，因为与太阳的距离相同，所形成的行星成分也就基本相同，在这种情况下，两个在同一轨道上运行的成分几乎完全相同的两个行星发生碰撞的概率达到20%至40%左右，这个概率远远高于罗宾·坎普计算的1%，这让大碰撞理论看上去更加可信，可以说，这几位天文学家的计算挽救了之前被大多数天文学家所接受的经典的大碰撞理论。

除了对于不同天体的各种性质进行考察之外，想要探明它们形成的过程，天文学家们所能做的大多是利用计算机进行模拟，因为进行计算的不同模型和数据的区别，也就可能产生不同的结论。无论如何，大碰撞理论目前得到了更多的支持，仍然可以被大多数天文学家所接受。地球和月亮，是太阳系中一对如姐妹般共生的天体，它们相互影响，共同维持着地球上的生命奇迹，天文学家们不会就此结束，他们将继续探求月亮诞生的细节，更多的理论必将接受更严格的检验。

（本文写作参考了《自然》杂志的报道）

英国天文学家乔治·达尔文

美国天文学家雷金纳德· 达利