苗千

人們早已經(jīng)習(xí)慣看到懸掛在夜空中的月亮，或盈或虧，所謂“但愿人長久，千里共嬋娟”。但是月亮帶給地球的并不僅僅是美感而已，它還對地球有著巨大的引力作用，這種引力影響著地球的自轉(zhuǎn)軸，如果沒有月亮的牽引，地球上的氣候會大大不同。不僅如此，研究月亮的來歷對于研究地球自身以及整個太陽系的行星也有著重大意義。

從19世紀(jì)開始，關(guān)于月亮的形成過程逐漸形成了幾個不同的科學(xué)理論。英國天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、生物學(xué)家查爾斯·達爾文的兒子喬治·達爾文（George Darwin）首先提出了“分裂理論”，他認為在地球還是一團進行著高速自轉(zhuǎn)的熾熱熔巖的時候，月亮就從地球分裂了出去，而后逐漸冷卻，形成了地球目前唯一的一顆天然衛(wèi)星。還有一種理論認為，地球和月亮原本是太陽系中兩個獨立的天體，就因為運行的軌道接近，月亮被地球的引力所捕獲，才成為地球的衛(wèi)星。但是這個理論的不足之處在于，人們通過計算發(fā)現(xiàn)，如果地球是通過引力作用捕捉到月亮，那么月亮要么會沖向地球，和地球發(fā)生劇烈的碰撞，要么就是在另外的軌道上運轉(zhuǎn)，而不會穩(wěn)定地運行在現(xiàn)在的軌道上。這個理論的一些擁護者解釋說，在當(dāng)時地球表面的大氣層可能遠比現(xiàn)在厚密，因此在月亮沖向地球時可能起到了一個緩沖的作用，使它穩(wěn)定在了現(xiàn)在的軌道上。另外有一種理論是說，地球和月亮是同時形成的一個雙星系統(tǒng)，在形成的過程中，地球獲取了大部分的質(zhì)量，而月亮只獲得了較少的質(zhì)量，因此成為地球的一顆衛(wèi)星。

在1946年，美國哈佛大學(xué)的天文學(xué)家雷金納德·達利（Reginald Aldworth Daly）對于喬治·達爾文的理論進行了調(diào)整，提出了“大碰撞理論”。這個理論認為，大約在45億年前，在太陽系形成的早期，一個大小與火星接近的天體劇烈地撞擊地球，撞擊的碎片隨后形成了月亮。這個理論與目前關(guān)于太陽系形成的主流理論相符合，也可以解釋很多目前觀測到的現(xiàn)象，因此最為科學(xué)界所接受，從20世紀(jì)70年代開始，大碰撞理論幾乎成為月亮形成的標(biāo)準(zhǔn)理論。

但是標(biāo)準(zhǔn)理論并不是完美無缺的，對于地球和月亮成分的研究越深入，就有越多的人對于這個理論提出質(zhì)疑。由一次大碰撞所形成的月亮，畢竟和地球還應(yīng)該有所差別，但是從兩個天體的組成來看，地球和月亮的成分幾乎完全相同，這未免太過巧合，不是大碰撞理論所能解釋的，難免不讓人心生疑惑。

一個火星大小的天體與早期的地球相碰撞，形成地球和月亮，那么地球和月亮的成分必定會有所不同，組成月亮的應(yīng)該主要是進行碰撞的天體，而地球的主要成分應(yīng)該是早期的地球元素，對于地球和月亮組成的分析結(jié)果出乎人們的意料?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，地球和月亮的成分中氧元素同位素的比例相同，無法進行分辨——這與太陽系中其他行星物質(zhì)組成的情況完全不同。除了氧元素之外，地球和月亮的鎢元素同位素比例也相同，這種情況比氧元素的同位素比例相同更讓人難以理解，大碰撞理論很難對此自圓其說。一些科學(xué)家試圖解釋，在發(fā)生大碰撞之后，地球可能處于極高的溫度下，因此很多物質(zhì)都發(fā)生了氣化。在這種情況下，可能后來形成地球與月亮的物質(zhì)在氣態(tài)情況下發(fā)生了混合，因此同位素的比例非常接近，無法分辨。這即便可以解釋氧元素和鎢元素的同位素比例情況，也仍然無法解釋地球和月亮中的鈦元素同位素比例也相同的情況。鈦元素不可能長時間地保持氣態(tài)狀態(tài)，因此不可能實現(xiàn)地球和月亮成分中的完全平衡——大碰撞理論遇到了前所未有的危機。

在45億年前究竟發(fā)生了什么，月亮究竟是如何形成的？大碰撞過程中是否還發(fā)生其他的過程，使得組成地球和月亮的原料可以充分混合，或是人類需要一個全新的關(guān)于月亮形成的理論？想要維持經(jīng)典的大碰撞理論，如果月亮確實是由一次行星之間的大碰撞所產(chǎn)生，地球與月亮的成分又如此相似，那只能說明發(fā)生碰撞的兩顆行星是“姊妹行星”，也就是說在45億年前這兩顆行星的成分本來就基本相同，這要比目前太陽系中的任何兩顆行星之間的關(guān)系都要密切得多。根據(jù)美國西南研究所的科學(xué)家羅賓·坎普（Robin Canup）的計算，這種概率只有大約1%左右，就是說極為稀有，這讓大碰撞理論看上去難以成立。

羅賓·坎普對于大碰撞理論進行了修改，她通過計算機模擬，認為是兩顆大約為火星五倍大小的行星進行了兩次碰撞后充分混合，才形成了現(xiàn)在的地球和月亮，這個過程可以解決地球和月亮成分極為類似的難題。

2015年4月9日，來自以色列理工學(xué)院、波爾多天體物理實驗室和波爾多大學(xué)的幾位天文學(xué)家共同在《自然》雜志上發(fā)表論文《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），論文主要通過計算機模擬來解釋地球和月亮成分相似性與大碰撞理論之間的矛盾。他們通過計算機模擬證明，在太陽系形成的早期，因為與太陽的距離相同，所形成的行星成分也就基本相同，在這種情況下，兩個在同一軌道上運行的成分幾乎完全相同的兩個行星發(fā)生碰撞的概率達到20%至40%左右，這個概率遠遠高于羅賓·坎普計算的1%，這讓大碰撞理論看上去更加可信，可以說，這幾位天文學(xué)家的計算挽救了之前被大多數(shù)天文學(xué)家所接受的經(jīng)典的大碰撞理論。

除了對于不同天體的各種性質(zhì)進行考察之外，想要探明它們形成的過程，天文學(xué)家們所能做的大多是利用計算機進行模擬，因為進行計算的不同模型和數(shù)據(jù)的區(qū)別，也就可能產(chǎn)生不同的結(jié)論。無論如何，大碰撞理論目前得到了更多的支持，仍然可以被大多數(shù)天文學(xué)家所接受。地球和月亮，是太陽系中一對如姐妹般共生的天體，它們相互影響，共同維持著地球上的生命奇跡，天文學(xué)家們不會就此結(jié)束，他們將繼續(xù)探求月亮誕生的細節(jié)，更多的理論必將接受更嚴格的檢驗。

（本文寫作參考了《自然》雜志的報道）

英國天文學(xué)家喬治·達爾文

美國天文學(xué)家雷金納德· 達利