Giả thuyết vụ va chạm lớn

Giả thuyết vụ va chạm lớn cho rằng Mặt Trăng được tạo ra từ các mảnh vỡ để lại sau vụ va chạm giữa Trái Đất lúc trẻ với một thiên thể kích cỡ Sao Hỏa. Vụ va chạm xảy ra vào cỡ khoảng 4,5 Ga BP (tỷ năm trước đây), và ở khoảng 20 đến 100 triệu năm sau khi hệ Mặt trời ra đời.
Đây là giả thuyết khoa học được ưa thích  cho sự hình thành Mặt Trăng. Bằng chứng của giả thuyết này bao gồm các mẩu đá Mặt Trăng cho thấy bề mặt từng nóng chảy, lõi sắt tương đối nhỏ, tỷ trọng thấp hơn Trái Đất của Mặt Trăng, và chứng cứ của các vụ va chạm tương tự trong các hệ sao khác (tạo nên đĩa vật chất). Thiên thể va chạm được đặt tên là Theia (hay Euryphaessa), một Titan Hy Lạp và là mẹ của Selene, nữ thần Mặt Trăng.
Vẫn còn một số vấn đề chưa được làm sáng tỏ xoay quanh giả thuyết này. Tỉ lệ đồng vị oxy của Mặt Trăng thực chất giống hệt như của Trái Đất, và không có bằng chứng nào chứng tỏ có sự góp mặt về thành phần của thiên thể nào. Các mẫu vật Mặt Trăng cũng không có tỉ lệ được dự đoán nguyên tố dễ bay hơi, các oxit sắt, hoặc các nguyên tố nhóm sắt, và không có chứng cứ nào cho thấy rằng Trái Đất từng có các đại dương macma như giả thuyết nhắc đến.

Nguồn gốc

Năm 1898, George Howard Darwin cho rằng Trái Đất và Mặt Trăng từng là một thực thể thống nhất. Giả thuyết của Darwin là Mặt Trăng nóng chảy đã bị kéo ra khỏi Trái Đất bằng lực ly tâm và trở thành lời giải thích nổi trội hơn cả . Sử dụng cơ học Newton, ông tính toán rằng Mặt Trăng đã từng ở gần Trái Đất hơn trong quá khứ và đang chuyển động xa dần Trái Đất. Sự chuyển động này được chứng minh bởi các thí nghiệm sử dụng các mục tiêu đo khoảng cách bằng tia laze đặt trên Mặt Trăng của Mỹ và Liên Xô.
Tuy nhiên, phép tính của Darwin lại không giải quyết được cơ chế cần để kéo Mặt Trăng trở lại bề mặt Trái Đất. Vào năm 1946, Reginald Aldworth Daly ở Đại học Harvard không thừa nhận lời giải thích của Darwin, cho rằng Mặt Trăng tạo thành là do một vụ va chạm hơn là lực ly tâm . Sự phủ nhận của Giáo sư Daly ít được chú ý cho đến khi nó được giới thiệu lại tại một hội nghị về vệ tinh năm 1974. Sau đó nó được tái bản trong Icarus năm 1975 bởi Tiến sĩ William K. Hartmann và Donald R. Davis. Mô hình của họ cho rằng, vào cuối giai đoạn hình thành các hành tinh, những thiên thể kích thước vệ tinh sau khi hình thành có thể va chạm với các hành tinh khác hoặc bị giữ lại. Họ cho rằng một trong các thiên thể này có thể đã va chạm với Trái Đất, bắn tung lên các vật chất, bụi khí nghèo chất dễ bay hơi đã hợp nhất lại tạo thành Mặt Trăng. Cú va chạm này có thể giải thích các đặc tính địa lý độc nhất của Mặt Trăng .
Alfred G. W. Cameron và William Ward cũng đã đề xuất một đường lối tương tự, cho rằng Mặt Trăng được tạo thành bởi vụ va chạm theo phương tiếp tuyến với một thiên thể kích thước Sao Hỏa. Lớp silicat ngoài của các thiên thể va chạm hầu hết đã bốc hơi, để lại lõi kim loại. Do đó, hầu hết vật chất bắn lên quỹ đạo sẽ bao gồm silicat, làm Mặt Trăng khi ngưng kết thiếu đi sắt. Những vật liệu dễ bay hơi hơn văng ra sau cú va chạm có thể thoát khỏi Hệ Mặt trời, trong khi silicat lại có xu hướng ngưng kết lại.

Theia

Tên của tiền hành tinh giả định được lấy từ tên của một titan Hy Lạp là Theia, người sinh ra nữ thần Mặt Trăng Selene. Theo giả thuyết trên, Theia được hình thành cùng với các thiên thể kích thước hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời khoảng 4,6 tỉ năm trước và có kích cỡ Sao Hỏa.
Một giả thuyết cho rằng Theia hình thành tại điểm Lagrange L₄ hoặc L₅ gần Trái Đất (trên cùng một quỹ đạo và khoảng 60ᵒ trước hoặc sau), tương tự như một thiên thể Troia. Sự ổn định của quỹ đạo Theia bị ảnh hưởng khi khối lượng của nó vượt nguỡng khoảng 10% khối lượng Trái Đất . Sự nhiễu loạn trọng lực gây ra bởi các vi thể hành tinh làm Theia rời khỏi vị trí Lagrange ổn định, và các tương tác với tiền Trái Đất xảy ra sau đó làm hai thiên thể này va chạm với nhau.
Các nhà thiên văn cho rằng vụ va chạm giữa Theia và Trái Đất xảy ra khoảng 4,53 tỉ năm trước, khoảng 30-50 triệu năm sau khi Hệ Mặt Trời hình thành. Tuy nhiên, chứng cứ đưa ra vào năm 2008 cho rằng vụ va chạm có thể xảy ra muộn hơn, khoảng 4,48 tỉ năm trước.

Sự va chạm

Trong điều kiện thiên văn, vụ va chạm sẽ có vận tốc trung bình. Theia chắc đã va chạm với Trái Đất ở một góc xiên khi cả hai hình thành gần như hoàn chỉnh. Mô hình máy tính của kịch bản "cú va chạm trễ" cho thấy góc va chạm là 45ᵒ và vận tốc va chạm ban đầu dưới 4 km/s . Lõi sắt của Theia chìm vào lõi Trái Đất trẻ, và hầu hết lớp phủ của Theia cùng một phần lớp phủ và vỏ Trái Đất bị bắn tung lên quỹ đạo. Những vật liệu này nhanh chóng ngưng kết lại tạo thành Mặt Trăng (có thể nhiều hơn một tháng nhưng chưa tới một thế kỉ). Theo ước tính dựa trên mô hình giả lập máy tính, khoảng 2% khối lượng ban đầu của Theia trở thành đĩa vật chất, và khoảng một nửa số vật chất này ngưng kết tạo thành Mặt Trăng. Trái Đất đã nhận một lượng đáng kể mômen động lượng và khối lượng từ vụ va chạm lớn như thế. Chưa kể đến độ nghiêng và sự quay của Trái Đất trước vụ va chạm, mất khoảng hơn một ngày và năm giờ để đường xích đạo Trái Đất dịch chuyển gần hơn đến mặt phẳng quỹ đạo Mặt Trăng.
Các vật thể đáng kể khác được cho là đã được tạo thành bởi vụ va chạm, và vẫn còn lại trên quỹ đạo giữa Mặt Trăng và Trái Đất, bị kẹt giữa các điểm Lagrange. Các vật thể như thế có thể đã tồn tại cùng hệ Mặt Trăng - Trái Đất cho đến khi lực kéo trọng trường của các hành tinh khác làm mất ổn định hệ đủ để giải phóng các vật thể này.

Bằng chứng

Bằng chứng gián tiếp của kịch bản va chạm này đến từ các loại đá được thu thập trong các cuộc hạ cánh xuống Mặt Trăng của chương trình Apollo, cho thấy tỷ lệ đồng vị ôxy giống với Trái Đất. Thành phần khoáng vật giàu anorthosit của lớp vỏ Mặt Trăng, cũng như sự tồn tại của các mẫu giàu KREEP, đã dẫn đến ý tưởng rằng một phần lớn của Mặt Trăng từng nóng chảy, và một cú va chạm lớn có thể dễ dàng cung cấp năng lượng để hình thành một đại dương macma như thế. Một vài bằng chứng cho thấy rằng nếu Mặt Trăng có lõi giàu sắt, nó phải nhỏ. Trong đó mật độ trung bình, momen quán tính, dấu hiệu của sự tự quay, và cảm ứng từ đều cho thấy bán kính lõi của nó nhỏ hơn 25% bán kính Mặt Trăng, trái với mức khoảng 50% của hầu hết các thiên thể khác. Điều kiện va chạm được cho là đã tạo thành một Mặt Trăng cấu tạo từ hầu hết lớp phủ của Trái Đất và thiên thể va chạm, với lõi của thiên thể sáp nhập với lõi Trái Đất, đã thoả mãn các ràng buộc momen động lượng của hệ Mặt Trăng-Trái Đất.
Bụi khí ấm và giàu khí SiO, sản phẩm của vụ va chạm với vận tốc cao (>10 km/s) giữa hai thiên thể cấu tạo từ đá đã được phát hiện ở gần (khoảng 29 parsec) ngôi sao trẻ HD 172555 (khoảng 12 triệu năm tuổi) bởi Kính viễn vọng không gian Spitzer. Một vành đai bụi khí ấm thuộc khu vực giữa khoảng 0,25 AU và 2 AU của ngôi sao trẻ HD 23514 ở chòm Tua Rua giống như trên đã dự đoán được kết quả vụ va chạm giữa Theia và Trái Đất trẻ, và được coi như là kết quả của các thiên thể kích thước hành tinh va chạm với nhau , tương tự như với một vành đai bụi khí khác phát hiên xung quanh ngôi sao BD +20°307 (hay HIP 8920 hoặc SAO 75016).