9.4: 月球的起源

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 描述月球形成的三大早期假设
• 总结当前关于月球如何形成的 “巨型撞击” 概念

询问事物是如何起源是现代科学的特征。 但是，事实证明，了解月球的起源对行星科学家来说是一项挑战。 部分困难在于我们对月球的了解如此之多（与我们在天文学中经常遇到的问题完全相反）。 正如我们将看到的，一个关键问题是月球既与地球非常相似，又令人沮丧地不同。

关于月球起源的想法

早期关于月球起源的大多数假设都遵循以下三个一般思想之一：

1. 裂变理论——月球曾经是地球的一部分，但在历史的早期却以某种方式与之分离。
2. 姐妹理论——月球与地球一起形成（但独立于）地球，因为我们相信许多外行星的卫星形成了。
3. 捕获理论——月球在太阳系的其他地方形成并被地球捕获。

不幸的是，这些想法似乎都存在根本问题。 也许最容易被驳回的假设是捕获理论。 它的主要缺点是，没有人知道早期地球能以任何方式从其他地方捕获如此大的月亮。 如果没有大量能量损失，一个接近另一个天体就无法进入围绕它的轨道；这就是为什么要绕其他行星运行的航天器配备了复古火箭的原因。 此外，如果确实进行了这样的捕获，捕获的物体将进入一个非常偏心的轨道，而不是我们今天的月球所占据的近乎圆形的轨道。 最后，地球和月球在组成上有太多的相似之处，尤其是氧气主要同位素 ¹ 的相同比例，不足以证明寻求完全独立的起源是合理的。

裂变假说说月球与地球分离，是在十九世纪末提出的。 现代计算表明，这种自发裂变或分裂是不可能的。 此外，很难理解以这种方式由陆地物质构成的月球怎么会产生现在已知的许多明显的化学差异，这些差异是我们邻居的特征。

因此，科学家们只剩下了姐妹假设 —— 月球与地球并肩形成 —— 或者对裂变假设进行了一些修改，从而找到一种更容易接受的方法让月球物质与地球分离。 但是我们对月球了解得越多，这些旧观念似乎就越不符合要求。

巨型冲击假说

为了解决这些明显的矛盾，科学家们提出了关于月球起源的第四种假设，该假设涉及地球历史早期的巨大撞击。 越来越多的证据表明，在陆地行星形成时，大量物质（本质上是行星质量的物体）正在太阳系内部运行。 巨型撞击假说设想地球会被一个大约地球质量十分之一的物体倾斜撞击，这是一颗与火星大小差不多的 “子弹”。 这几乎是地球在不被摧毁的情况下可能经历的最大冲击。

这种撞击将破坏地球的大部分地区并将大量物质喷射到太空中，释放的能量几乎足以使地球分崩离析。 计算机模拟表明，在这种撞击中，总计占地球质量百分之几的物质可能会被喷出。 这些材料大部分将来自地球的石质地幔和撞击体，而不是来自它们的金属核心。 喷出的岩石蒸气随后冷却并形成了绕地球运行的物质圈。 正是这枚戒指最终凝结成了月球。

尽管我们目前没有任何方法可以证明巨型撞击假说是月球起源的正确模型，但它确实为月球化学性质提出的大多数主要问题提供了潜在的解决方案。 首先，由于月球的原材料来自地幔和弹丸，因此金属的缺失很容易理解。 其次，大多数挥发性元素会在撞击后的高温阶段丢失，这解释了月球上缺乏这些材料的原因。 但是，通过主要由陆地地幔物质制造月球，也可以理解相似之处，例如各种氧同位素的丰度相同。

摘要

月球起源的三个标准假设是裂变假说、姐妹假说和捕获假设。 它们都有问题，它们已被巨型撞击假说所取代，该假说将月球的起源归因于45亿年前火星大小的弹丸撞击地球。 撞击产生的碎片在地球周围形成了一个环，凝结并形成了月球。

脚注

¹ 请记住，在 “辐射与光谱” 一章中，“同位素” 一词是指元素的不同 “版本”。 具体而言，同一元素的不同同位素具有相同数量的质子但中子数量不同（如碳12和碳14）。