月球究竟是怎么来的?

这个问题困扰了人类数千年,在阿波罗登月之前,这仅仅是一个哲学或神话问题,而在带回了月球岩石样本后的今天,这变成了一场跨越45亿年的“宇宙刑侦”大案。

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关于月球的身世,科学界曾经争吵不休,甚至为此分裂成几个互不相让的派系,虽然今天“大碰撞假说”已成为主流,但在得出这个结论之前,人类经历了一段漫长的试错旅程,让我们拨开历史的迷雾,看看这三个曾经最著名的嫌疑理论,以及那个最终揭开真相的恐怖时刻。

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在20世纪中叶以前,天文学家们像盲人摸象一样,提出了三种主要的假说,它们听起来都很有道理,但每一个都有致命的物理硬伤。

分裂说是最早期的主流观点之一,该理论认为,早期的地球处于熔融状态,旋转速度极快,快到像一个飞速旋转的面团,由于离心力过大,地球赤道附近的一部分物质被生生“甩”了出去,冷却后形成了月球,甚至有人指着太平洋巨大的凹陷说:“看,那就是月球留下的伤疤。”

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然而物理计算表明,要让地球把这么大一块物质甩出去,地球的自转速度必须快到每2.5小时转一圈,这种速度不仅不符合角动量守恒,而且如果地球真转这么快,它自己可能早就散架了,而不是只甩出一颗卫星,至于太平洋,那只是板块运动的产物,其年龄只有两亿年,比起45亿岁的月球,简直太年轻了。

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捕获说认为,月球原本是一颗在太阳系中流浪的独立矮行星,某一天,它不小心闯入了地球的引力范围,被地球“强行扣留”了下来,从此变成了卫星,太阳系中确实有这样的例子,比如海王星的卫星海卫一就被认为是一个被捕获的柯伊伯带天体。

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但是物理动力学告诉我们,两个天体在太空中相遇,如果不发生碰撞,要么擦肩而过,要么通过引力弹弓效应被加速甩飞,要想被“温柔地”捕获,需要极其实际的减速机制,但这对于像月球这么大的天体来说几乎是不可能的,此外如果是外来的,月球的化学成分应该和地球截然不同,但事实并非如此。

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同源说认为,在太阳系形成的早期,地球和月球就像双胞胎一样,从同一团原始星云尘埃中同时诞生,靠在一起吸积物质,最终形成了地月系统。

如果是同源而生,两者的结构应该非常相似,但地球拥有一个巨大的铁镍核心,占总质量的30%左右,而月球的核心非常小,几乎就是一块巨大的石头,如果它们是“亲兄弟”,为什么地球抢走了所有的铁,只给月球留下了石头?

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1969年阿波罗11号带回了第一批月球岩石,这批价值连城的石头,直接宣判了上述三个理论的死刑,科学家发现,月球岩石极其干燥,几乎没有挥发性元素,这意味着月球曾经历过极度的高温烘烤,更惊人的是,月球岩石中的氧同位素比例与地球惊人地一致。

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这就像是做DNA亲子鉴定:月球不仅不是外来的流浪汉,甚至和地球拥有完全相同的基因,它既像是地球的一部分,又明显经历过一场毁灭性的热灾难。

于是一个更加激进、更加暴力的理论在1970年代中期横空出世:大碰撞假说。

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让我们把时钟拨回到45亿年前,那时的地球刚刚形成,还是一个炼狱般的熔岩世界,被称为“原地球”,但在早期的太阳系轨道上,地球并不孤单。在距离地球不远的地方,孕育着另一颗火星大小的原行星,科学家给它起了一个富有诗意的名字,忒伊亚。

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根据计算机模拟,大约在45亿年前的某一天,忒伊亚偏离了轨道,以每秒数公里的速度,狠狠地撞向了地球,那不是一次普通的撞击,那是世界的末日,撞击并未正中靶心,而是以45度角侧面撞击,这一击释放的能量相当于数十亿颗原子弹同时爆炸。

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刹那间忒伊亚被彻底粉碎,它的金属核心像子弹一样射入了地球深处,与地球的地核融为一体,这解释了为什么地球的铁那么多,而月球那么少,与此同时,地球的地幔被巨大的冲击力撕裂,忒伊亚的残骸加上地球被撞飞的地幔物质,化作了数万亿吨的熔岩蒸气,被喷射到太空中。

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地球瞬间被岩浆海洋覆盖,而在地球周围,形成了一个由熔岩、气体和尘埃组成的巨大吸积盘,就像今天的土星环,但它是炽热发红的岩浆环。

在这个灼热的圆环中,物质开始在引力作用下疯狂聚集,由于太空中没有空气阻力,吸积的过程快得惊人,最新的超级计算机模拟显示,月球的主体可能在撞击发生后的短短几个月、甚至几周内就聚合形成了。

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那些较轻的岩石物质汇聚在一起,形成了早期的月球,由于经历了撞击时几千度的高温,所有的水分和挥发性元素都被蒸发殆尽,这就解释了为什么月球如此“干燥”,而因为大部分铁都留在了地球内部,月球就成了一个密度较低的“石球”。

这简直是一个完美的理论。它解释了月球的轨道、密度、成分以及缺乏挥发性物质的所有特征。

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然而科学探索永无止境,近年来大碰撞假说也遇到了挑战,如果月球主要是由忒伊亚的残骸组成的,那它的同位素特征应该更像忒伊亚,而不是地球,但测量结果显示,地月的同位素几乎完全一样。

为了解决这个问题,科学家们在2017年提出了一个更疯狂的升级版模型:索内斯蒂亚结构,这个理论认为撞击的能量比我们想象的还要大,大到将整个地球和忒伊亚都彻底气化了,两者不再是固体,而是融合成了一团巨大的、飞速旋转的甜甜圈状的岩石蒸气云。

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在这个“蒸气甜甜圈”里,地球和忒伊亚的物质被彻底搅拌、混合,不分彼此,随后这个云团的外部冷却凝结成了月球,而内部冷却凝结成了地球,这就是为什么它们拥有相同“基因”的原因,因为它们本就是从同一锅滚烫的“岩石汤”里生出来的。

所以月球并不是地球甩出去的一部分,也不是被捕获的过客,而是地球在经历了一场粉身碎骨的浩劫后,浴火重生的亲生骨肉,那场45亿年前的惊天撞击,虽然毁灭了原地球,却也成就了今天的我们。

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撞击可能歪斜了地球的轴线,赋予了我们四季更替,撞击产生的月球,用引力稳住了地球的自转,并掀起了潮汐,为生命从海洋走向陆地铺平了道路。

下次当你再抬头望向月亮时,请记住:你看到的不仅仅是一块冰冷的石头,你是透过它,在凝视地球那个狂暴、炽热且壮烈的童年,它是地球的一块伤疤,也是宇宙留给人类最珍贵的勋章。