嘿，你知道地球和月亮到底啥关系吗？

自古以来，月亮就是文人雅士寄情的对象，有关月亮的佳句不胜枚举。比如诗仙李白的《古朗月行》：“小时不识月，呼作白玉盘；又疑瑶台镜，飞在青云端”描写的是诗人儿童时期对月亮稚气的认识，以“白玉盘”、“瑶台镜”比喻，生动地表现出了月亮的形状和月光的皎洁。有趣之余也引发了人们对月亮的迷思：月亮是怎么来的？它和我们地球是什么关系呢？

1968年首次载人绕月的阿波罗8号拍摄到“地出”（Earthrise，在太空看地球从月球表面缓缓上升的景象）￨ 图源：NASA

月球，古称太阴，是地球唯一的一颗天然卫星，直径约3474公里，略大于地球的1/4，月球表面上的重力加速度差不多相当于地球表面的1/6（举例来说，如果你在地球上是100斤，在月球上就只有16斤多）。就自身与绕行行星的体积比来说，月球与地球的比值无疑是太阳系中最大的，几乎大到可以被认为是地球的孪生行星。月球质量是地球质量的1/81，而太阳系里其他卫星的质量则小于其绕行行星的1/4000。

关于月球的起源，主要有四种假说，即分裂说、俘获说、共吸积说以及大碰撞说。

 分裂说（The Fission Theory）

分裂说认为，在太阳系早期，原始地球的自转速度非常快，以至于表面的一部分物质分裂出去形成月球，甚至曾有人认为太平洋盆地最可能是月球分裂出去的地方。目前，大多数科学家不相信分裂说，认为原始地球自转的速度很难快到足以喷出一大团岩石出去形成月球，一方面原始地球在增生过程中，只有非常小的概率才能达到这么快的自转速度；另一方面，如果早期地球的自转速度能达到裂解的程度，意味着地-月系统携带了过量的角动量，目前科学家找不到一种机制可以使得后来的地球慢下来。

关于月球起源的分裂说示意图^[1]

 捕获说（The Capture Theory）

捕获说认为，月球在别处形成，后来被地球引力场捕获，成为地球的一颗卫星。其实以这种方式形成的卫星比较常见，比如火星的两颗卫星福波斯（Phobos）和得摩斯（Deimos）就被认为是火星捕获来的小行星。捕获说最大的缺陷是无法解释为什么地球和月球具有相似的地球化学性质，比如地球和月球几乎具有一致的氧同位素成分。捕获说另外无法解释的是月球非常缺乏中等挥发性元素，同时月球只有很小的金属核。如果月球在被地球捕获以前是一颗正常的小行星，那么它应该具有一个更大的金属核，并且不会这么贫挥发份。

月球和地球具有一致的氧同位素成分。横纵坐标是相对于标准平均海洋水SMOW的氧同位素比值 ￨ 图源：改自网络

 共吸积说（The Co-accretion Theory）

共吸积说认为，月球和地球是原始太阳星云里同一星云区域里的气体和尘埃冷凝出来的。这一理论可以解释地球和月球之间的同位素相似性，但是无法解释地-月系统的高角动量，也无法解释为什么月球具有一个较小的铁核，导致月球的平均密度比地球低很多（月球: 3.3g/cm³  VS. 地球: 5.5g/cm³），更无法解释月球的中等挥发性元素（如钾、锌、铷、铜等）为什么相对地球强烈亏损。共吸积说也难以解释为什么月球会经历了全月熔融的岩浆洋过程，因为共吸积说难以提供这么多的热量。

关于月球起源的共吸积说示意图 ￨ 图源：网络

 大碰撞说（Giant Impact Theory）

目前科学界最广泛接受的是大碰撞说，该理论认为，大约45亿年前，在地球诞生的最初阶段，一颗约火星大小名为忒伊亚（Theia，意为神话中月神的母亲）的星子与原始地球发生了猛烈的碰撞，碰撞抛出的碎片在地球轨道附近重新融合冷凝形成了现在的月球。

关于月球起源的大碰撞说示意图  ￨ 图源：改自网络

支持大碰撞理论的主要证据有：

• 月球公转和地球自转方向相同；

• 月球的同位素组成（如氧、钛、铬和钨等）和地球高度一致，与其他行星明显不同；

• 大部分月壳由斜长岩组成，这表示月球曾经拥有全球岩浆洋，发生了分异结晶（请想象当时的月球是一个熔融的火球，逐渐冷却固结下来）；

• 月球亏损挥发性元素和轻元素，推断这些元素在极端高温条件下因气化而逃逸了；

• 月球内部拥有较小的铁核且月球平均密度比地球低，因此月球可能是由碰撞后抛射出去的“较轻”的物质融合形成的，撞击体“较重”的核心下沉与地球的核心合并，成为了现在的地球核心。

尽管大碰撞理论也面临着一些质疑和挑战，出现了所谓的“同位素危机”（根据经典碰撞模型，形成月球的72%-88%物质来源于碰撞体Theia，它与地球的氧同位素完全一致的概率很低，这与目前的月球观测事实相悖），但这个理论是目前能解释最多月球观测事实的假说，也是科学界现在最主流的月球诞生理论。同时也出现了一些修正后的大碰撞理论或者与大碰撞理论相关的模型如核-核融合大碰撞模型、星巢模型、撞击-逃逸模型、撞击再平衡模型、高速冰质类冥行星撞击模型、多次撞击成月模型以及原地球高旋转撞击模型等。

各假说与观测事实的吻合度^[7]

因此，月球既不是地球的“孩子”，也不是地球的“俘虏”，更不是地球的“小妹”。在太阳系早期，行星际环境动荡不安，月球和地球可谓“相逢乱世”，然而“只是因为在人群中多看了你一眼”，便如飞蛾扑火般相撞入怀，从此与地球你中有我，我中有你，彼此形成了一个相互独立，却又密不可分的命运共同体，正如上帝用亚当的肋骨造就了夏娃。这对太阳系最深情的“伴侣”，此后45亿年默默守护在对方身边，不离不弃，在浩瀚的宇宙里成为彼此的唯一。

参考文献：

[1] Darwin G. H. (1879) Philos. Trans. R. Soc. London 170, 447-538.

[2] Schmidt O. Y. (1959) A theory of the origin of the Earth. Lawrence and Wishart.

[3] Gerstenkorn H. (1955) Über Gezeitenreibung beim Zweikörper-problem. Zeit Astrophys 36: 245-274.

[4] Hartmann W. K. and Davis D. R. (1975) Satellite-Sized Planetesimals and Lunar Origin. ICARUS, 24: 504-515.

[5] Canup R. M. and Asphaug E. (2001) Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation. Nature, 708–712.

[6] Lock et al. (2018) The Origin of the Moon Within a Terrestrial Synestia. JGR Planets, 910-951.

[7] Genda et al. (2015) Warm debris disks produced by giant impacts during terrestrial planet formation. The Astrophysical Journal, 810: 136.

作者简介

蒋 云

中国科学院紫金山天文台天体化学和行星科学实验室副研究员。研究方向：火星、月球及小行星陨石的岩石矿物学、同位素地球化学及年代学。

轮值主编：张旸

制作、编辑：王科超