月球密約

鄧雪梅/編譯

月球有著同地球外側(cè)相類似的組成部分

●美國西南研究所的行星學家羅賓·坎普（Robin Canup）認為，目前對于月球的起源人類知之甚少，它的形成或是一次宇宙偶然事件的發(fā)生。為了科學認知月球起源，坎普指出，在完善相關(guān)月球模型的同時，有必要適時執(zhí)行一次金星探測任務(wù)。

在天空中，月球不僅僅是一個熟悉的景象，它還決定了地球上的狀況。月球足夠大，以至于能夠穩(wěn)定地球的旋轉(zhuǎn)、保持地球極軸的穩(wěn)定。如果沒有月球，地球的傾斜會混亂地變化幾十度。如此大的變化或許不會妨礙生命的誕生，但卻會導(dǎo)致一個完全不同的地球氣候。

弄清月球的組成是了解地球和其他行星形成的關(guān)鍵。自20世紀80年代開始，有關(guān)月球起源的工作主要專注于“大碰撞”模型。該模型指出，另一顆天體同正在形成的地球相撞而產(chǎn)生了一個殘留物星盤，這些殘留物最終并合成目前的月球。在45億年以前地球形成的最后階段，這種大碰撞在太陽系隨處可見。

然而，我們還不詳細地了解這樣的碰撞是如何能夠產(chǎn)生地球和月球的。在過去的幾年中，為了解釋觀測到的地月系統(tǒng)特征，計算機模擬、來自月球任務(wù)的數(shù)據(jù)和巖石的同位素分析已增加了新機制的可能性。

相同與不同

主要的挑戰(zhàn)是要同時解釋地球和月球的動力學——特別是包含在月球和地球軌道中的整個角動量——同時還要解釋為什么它們的許多成分有著相似之處。一塊巨大的撞擊體同地球的碰撞會提供所需的角動量，但碰撞也產(chǎn)生了來自于撞擊體的碎片所衍生的一個星盤。如果下落天體有著同地球不同的成分，那么為什么月球的組成同地球的外側(cè)如此類似呢？

到目前為止，相關(guān)的解釋傾向于還存在一個額外的進程——來自于地球和月球物質(zhì)的大量混合或與太陽的一次后期引力共振——可行性尚不清楚。因此，行星科學家們需加倍為地月系統(tǒng)的建模而努力，鑒定出月球和地球巖石中的化學特征，這或可以排除一些方案或其他建議。

月球和地球的組成明顯存在差異。地核中富含鐵，其含量占據(jù)了地球質(zhì)量的約30%。相比之下，鐵僅占據(jù)月球質(zhì)量的不到10%。月球還含有少量易于蒸發(fā)的元素（如鉀），或這些元素可能已經(jīng)蒸發(fā)掉，并且隨著月球從熱星盤中形成而逐漸消失。

20世紀70年代，來自于“阿波羅”計劃的樣品分析顯示了月球和地球的硅酸鹽幔有著相同的氧同位素（至少在測量精度范圍以內(nèi)是這樣的），這與來自于火星以及小行星帶上的物質(zhì)不同。近年來，地球和月球的相似性在不斷增加：月球與地球上的鉻、鈦、鎢和硅同位素組成似乎也沒有什么區(qū)別。

美國宇航局 （NASA）GRAIL探測器對月球引力的觀測，連同NASA的月球勘測軌道飛行器一起，減少了對于月殼厚度和其鋁豐度的估測。這些測量表明，難熔元素（高冷凝溫度的金屬）在地球和月球中同樣豐富，而不是以前所認為的月球含量少于地球。

總的來說，這些數(shù)據(jù)意味著月球或直接起源于地球的地幔物質(zhì)，或月球和地球的硅酸鹽成分來自于相同的混合物質(zhì)。無論是哪種情況，似乎都伴有一些特殊狀況。

碰撞模型

月球碰撞模型是通過模擬進行的。由于行星碰撞所引起的高能量足以熔化甚至部分氣化它們，模型中加入了壓力和相位變化。引力相互作用和力矩也包含其中，因為碰撞扭曲了行星并將碎片噴射到一個星盤中。

在20世紀70年代開發(fā)的標準大碰撞模型中，月亮被解釋為由一顆火星大小的天體同早期地球緩慢撞擊而形成（其質(zhì)量大約為地球質(zhì)量的10%到15%），碰撞使得地球快速旋轉(zhuǎn)，月球軌道每隔五小時接近地球。隨后，引力的相互作用以及力矩，使得月球軌道將地球的轉(zhuǎn)動減慢到現(xiàn)在的24小時一圈。這個模型得到了月球的質(zhì)量、地月系統(tǒng)的角動量以及月球缺乏鐵的原因。

更詳細的化學性質(zhì)是很難解釋的。但是，撞擊天體同早期地球有著相同的組成幾乎是不可能的。例如，火星的氧同位素成分50%以上不同于地球。如果這顆撞擊體如同地球與火星一樣的不同，那么這些不同在月球中仍然是可探測的，即使是在一次巨大碰撞后。

由美國宇航局GRAIL探測器所繪制的月球引力場

一個被稱為平衡模型的絕妙解決方案，于2007年由行星科學家卡韋赫·帕拉凡（Kaveh Pahlevan）和大衛(wèi)·史蒂文森（David Stevenson）提出。他們認為，從星盤和地球外部蒸氣相混合這一過程發(fā)生在碰撞之后、月球形成之前。然而，這一模型的缺陷是，這些蒸氣要徹底擴散和混合至少需要100年時間。但在當時，遠離星盤的部分應(yīng)當開始在形成月球。

很可能月球內(nèi)部保留了這顆撞擊天體的成分，至少月球巖石中沒有保留相關(guān)的紀錄。另一難題是，碰撞后的蒸氣揮發(fā)元素應(yīng)該比難熔元素容易混合，但地球和月球中的氧和鈦是相同的。

2012年，馬蒂賈·庫克（Matija Cuk）和薩拉·斯圖爾特（Sarah Stewart）擴大了形成月球可能碰撞的范圍。他們證明了，當月球進動周期同地球軌道的一年相匹配時，會產(chǎn)生太陽和月球的一個共振——如果它保持足夠長的時間——把地球的旋轉(zhuǎn)速度減半。隨后，更大的角動量影響變得可行，包括能產(chǎn)生帶有地幔成分的一個星盤的兩種情況。

由庫克和斯圖爾特提出的 “快速旋轉(zhuǎn)地球”模型，需要一顆略小于火星的天體同地球碰撞，而地球由于早前的一次撞擊已經(jīng)以2至2.5小時為周期旋轉(zhuǎn)。因為，地球的旋轉(zhuǎn)接近臨界速度開始變得不穩(wěn)定，形成月球的撞擊把部分地幔物質(zhì)送入軌道，從而產(chǎn)生了一個星盤。

同樣在2012年，有科學家提出“半地球撞擊”模型。在這個模型中，月球是由兩顆行星撞擊形成的，每一顆行星的質(zhì)量相當于地球質(zhì)量的一半（見圖表）。最后，行星和星盤包含了一半撞擊天體和一半被撞擊天體。與標準碰撞模型相比，這個模型需要一個大撞擊體，這一設(shè)想因此顯得不太可能。然而，這兩個模型都對月球和地球為什么有著類似氧、鉻和鈦組成做出解釋。

為了解釋硅和鎢的相似之處——能夠同金屬相互作用的元素——這兩個模型要求撞擊體的鐵核保留完好。因為它會沿著地幔下降并同地核混合在一起，避免了與其他金屬和硅酸鹽間的相互作用。但是，這些模型中是否減慢地球轉(zhuǎn)動的共振機制，目前尚不清楚，或者需要一個不大可能的狹窄范圍條件。換句話說，月球起源要比我們認為的更加罕見嗎？或者我們錯過了一些東西嗎？

未來方向

迄今，有關(guān)月球起源的模型還沒有一個能脫穎而出，其關(guān)鍵在于能否在一些領(lǐng)域取得突破，或排除一些模型，或支持一些引導(dǎo)我們走向月球起源方向的新模型。

首先，至關(guān)重要的是理解星盤形成以及從星盤中形成的月球。因為在月球形成之前，這種混合使星盤和這顆行星的組成變得均勻，或揮發(fā)元素從星盤中丟失。而標準碰撞模型主要針對產(chǎn)生液體的星盤，在大角動量的碰撞下，星盤最初主要是蒸氣。這樣的演化星盤模型在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，需要多學科方法對其動力學和化學特性進行闡述。

其次，一個能夠改變地月角動量共振的可能性需要對早期地球和月球的各種物理狀態(tài)進行評估，并通過先進的模型來研判它們之間的潮汐作用。

最后，進一步對月球和地球物質(zhì)的同位素比較將是極其重要的，包括難熔元素（如鈣），進而用來檢驗平衡模型。如果能找到不可能在100年里混合成氣相的元素，且這些元素在月球和地球中是相同的，而在火星中是不同的，那么平衡模型就站不住腳；反之，如果在高難熔元素中發(fā)現(xiàn)地月同位素的差異，則平衡模型可以確立。

相比于諸如硅等元素，氧氣可能提供了月球形成的最重要同位素約束，而地月系統(tǒng)、火星以及大多數(shù)隕石的氧同位素成分不同，反映了內(nèi)太陽系中不同的初始成分——氧同位素豐度受后形成行星過程的影響。因此，提高氧同位素測量的精度可能會潛在排除一些碰撞模型。

一系列事件確實在自然界中發(fā)生，但科學家們正在尋求最簡單的解決方案，力圖避免在模型中出現(xiàn)這種復(fù)雜性。而作為一個美學問題：簡單的方案往往更可行。隨著步驟的增加，特定順序的可能性相應(yīng)會減小。相比于原始大碰撞模型，當前模型的復(fù)雜性似乎不太可行。

一條線索可能存在于金星。月球撞擊體其成分同地球極其不同，這一觀點主要基于我們所了解的火星。我們并不了解金星的同位素成分，這顆行星同地球很相像，無論是質(zhì)量還是到太陽的距離。如果金星的同位素同地球和月球相似，那么火星似乎是一個例外，一個類似于地球的撞擊體成分更有可能，許多異議可以從標準碰撞模型中去除。

確定金星同位素的成分，可能需要去執(zhí)行一個金星探測任務(wù)。這樣一個誘人的前景在提醒科學家：我們的太陽系后院，究竟還有多少是需要人類了解的。