月球的起源

月球的起源主流认为是由一个火星大小的物体撞击地球，形成一个碎片环，最终收集成一颗天然卫星，但这一大碰撞假说有很多变体，也有其它的解释；月球是如何形成的研究仍在继续。提出的其它场景包括捕获说、分裂说、同源说、联合体（synestia，凝聚理论）、星子碰撞（由类小行星形成）和碰撞理论。

标准的大撞击假说表明，一个名为特亚（Theia）的火星大小天体撞击了原地球，在地球周围形成了一个巨大的碎片环，然后吸积形成了月球。这次碰撞还导致了地球23.5°的倾斜轴，从而形成了季节。月球的氧同位素比例似乎与地球基本相同。氧同位素比率可以非常精确地量测，为每个太阳系天体产生一个独特而独特的特征。如果特亚是一颗独立的原行星，它可能会有与原地球不同的氧同位素特征，喷出的混合物质也是如此。此外，月球的钛同位素比率（钛-50/钛-47）似乎与地球非常接近（差异在百万分之四以内），以至于碰撞物体的质量只是月球的一小部分。

## 组成

长期以来的碰撞理论面临的挑战之一是，一个火星大小的撞击体，其成分可能与地球有很大的不同，很可能会给地球和月球留下不同的化学成分，而事实并非如此。

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一些理论认为，在44.25亿年前太阳系形成的早期，原地球没有大卫星，地球基本上是岩石和熔岩。特亚，火星大小的早期原行星撞击地球的方式使地球喷出大量物质。这些喷出物的一部分以逃逸速度进入太空，但其余的在绕地球轨道上合并成一个球体，形成了月球。

该假说要求一个直径约为当前地球90%的原地球与另一个直径为火星（地球直径的一半，质量的十分之一）的天体发生碰撞。后者通常被称为特亚，是希腊神话中月球女神塞勒涅（Selene）的母亲的名字。为了使系统得到足够的角动量来匹配当前的轨道配置，需要这样的尺寸比。这样的撞击将把足够的物质送入地球轨道，最终积累形成月球。

电脑模拟显示需要倾斜的撞击，以形成长臂状体，然后断裂形成构成月球的主要物质。这种碰撞所涉及的能量令人印象深刻：可能有数万亿吨物质被熔化和蒸发。在地球这一部分，温度会上升到10000°C。

与太阳系中其它岩石行星和卫星比较，月球有着相对较小的铁核心，可以解释为特亚的核心大部分合并到地球的核心来解释。月球样本中缺乏挥发物，部分原因也是碰撞的能量导致。在环绕地球轨道的物质重新生成过程中，释放的能量足以融化月球的大部分，从而产生岩浆海洋。

新形成的月球的轨道距离约为今天的十分之一，由于潮汐摩擦将两个物体的旋转产生的角动量转移到月球的轨道运动中，因此月球向外盘旋。在这一过程中，月球的自转与地球发生了潮汐锁定，因此月球的一侧始终朝向地球。此外，月球将与地球上任何先前存在的小型卫星相撞并合并，这些卫星将共享地球的组成，包括同位素丰度。从那时起，月球的地质状况就更加独立于地球了。

2012年一项关于月球上锌同位素贫化的研究发现，挥发性贫化的证据与地球和月球的大碰撞起源一致。2013年，一项研究表明，月球岩浆中的水与碳质球粒陨石中的水无法区分，在同位素特征方面与地球的水几乎相同。

## 假设的导数

尽管大撞击解释了地月系统的许多方面，但仍有一些问题尚未解决，例如月球的挥发性元素并没有像预期的那样因这种高能撞击而耗尽。

另一个问题是月球和地球同位素的比较。2001年，对月球岩石的同位素特征进行了迄今为止最精确的量测。令人惊讶的是，阿波罗月球样本的同位素特征与地球岩石相同，但与其它的太阳系天体不同。因为进入轨道形成月球的大部分物质被认为来自特亚，所以这一观测结果出乎意料。2007年，加州理工学院的研究人员表明，特亚与地球具有相同同位素特征的可能性很小（不到1%的可能性）。2012年发表的一项对阿波罗月球样本中钛同位素的分析表明，月球的成分与地球相同，这与特亚形成于远离地球轨道的假说相矛盾。

### 多次碰撞论

为了解释这个问题，罗宾·克纳在于2012年发表的《形成月球类似地球的大碰撞》中提出，这两个相撞天体的大小都是火星的5倍，并且再度的碰撞，形成大盘面的碎片，最终形成了月球。

### 两颗行星合并

为了帮助解决这些问题，罗宾·克纳于2012年发表的《形成月球类似地球的大碰撞》这一项理论认为，两个天体（每个的大小都是火星的五倍）碰撞，然后再碰撞，形成了一个由混合碎片组成的大圆盘（联合体），最终形成了地球和月球。

### 月球作为撞击后卫星的直接起源

传统上认为月球是早期地球经由由巨大撞击喷射的碎片凝聚而成的。然而，这些模型难以解释地球和月球岩石的相似同位素组成以及系统的角动量，并且潜在撞击情境的细节引起了激烈的争辩。2022年发表的一项研究发现，在模拟的高分辨率门槛之上巨大撞击可以立即将一颗质量和铁含量与月球相似的天然卫星送入远离地球洛希极限的轨道。即使是最初在洛希极限内通过的天然卫星，也可以经由部分的剥离，然后移到更宽广、更稳定的轨道上，可靠且可预测的存活下来。此外，这些直接形成的卫星外层是内部较冷的地球地函熔融，大约有60%是由原始地球物质组成。这可以缓解月球类似地球的同位素组成，与预期撞击的不同特征之间的紧张关系。立即形成为月球早期的轨道演化开辟了新的选择，包括解释月球轨道高度倾斜的可能性，并为月球的起源阶段提供了一个更简单的情景。

### 多重撞击

在2004年，俄罗斯天体物力学家Q4146110提出了一种新模型，称为多颗大型小行星撞击模型（微行星撞击说），在2013年，它获得一群著名的俄罗斯天文学家的支持。稍后，在2017年，由以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究学院的行星研究人员撰写。整体而言，该模型的主要思想表明，月球的形成是由大型小行星（直径1-100公里）猛烈降雨形成的。这些小行星在数百万年的时间里反复撞击著羽翼未丰的地球。这一系列较小的撞击，在早期太阳系中可能更常见，可以将足够多的地球岩石碎片炸入轨道，形成一个原始卫星盘，然后成为一颗小卫星（moonlet）。随着反复撞击产生更多的碎片时，随着时间推移。小卫星可能会合并成为一颗大月球。

### 联合体假说

在2008年。哈佛和加州大学戴维斯分校开发的电脑模型表明，行星碰撞会创造出一个联合体（Synestia）：一团蒸发的岩石和金属，形成一个延伸到月球轨道之外的双凹盘（类似甜甜圈的形状）。联合体最终会缩小并冷却，以吸积卫星并改造受被撞击的行星。

矩形结构的古老板块裂谷（从左至右：外观、地形、GRAIL重力梯度，2014年10月1日）

## 其它假说

天体｜密度（g/cm3）

水星｜5.4

金星｜5.2

地球｜5.5

月球｜3.3

### 捕获说

这个假说认为月球是被地球捕获的。这种模型一直流行到20世纪80年代，对它有利的一些方面是月球的大小、轨道和潮汐锁定。

一个问题是捕获机制难以解说。两个行星体的近距离相遇通常会导致碰撞或轨道改变。为了使这一假设成立，原始地球周围可能有一个巨大的大气层，在月球逃逸之前，它会通过大气制动来减缓月球的运动。这个假说也可以解释木星和土星的不规则卫星轨道。然而，这一假设并不能充分解释两个天体的氧同位素比率基本相同。

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### 分裂说

这是一个现在已经被废弃的假设，即一个古老的、快速旋转的地球排出了其质量的。这是由乔治·达尔文（著名生物学家查尔斯·达尔文之子）于1879年提出的，并在阿波罗登月之前一直保持着一定的人气。1925年，奥地利地质学家Otto Ampferer也认为月球的出现是大陆漂移的原因。

有人提出，太平洋代表了这一事件的创伤。如今，人们已经知道，构成这个海盆的海洋地壳相对年轻，大约只有2亿年或更短的历史，而月球则要古老得多。月球不是由海洋地壳组成，而是由地函物质组成，地函物质起源于前寒武纪的原始地球内部。

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### 孪生说

孪生说说表明，地球和月球是由太阳系的原始吸积盘形成的一个双行星系统，甚至是一个黑洞.。这个假说的问题是，它不能解释地月系统的角动量，也不能解释为什么月球的铁芯与地球相比相对较小（其半径为25%，而地球为50%）。

### 核爆炸说

荷兰科学家Rob de Meijer和Wim van Westrenen在2010年提出，月球可能是由早期旋转的原地球的离心力引起的核爆炸形成的。离心力会将钍和铀等重元素集中在赤道平面上，以及地球外核与地函 (地质学)之间的边界处。如果这些放射性元素的浓度足够高，这可能会导致核连锁反应变得超临界，导致核爆炸将月球送入轨道。这个天然核裂变反应堆在地球上的观测规模要小得多。

## 其它理论和研究

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### 2011年

在2011年，据推测，第二颗卫星在45亿年前就已经存在。后来与月球产生碰撞，这是月球形成过程中吸积过程的。

### 2013年

一个假设，只是作为一种可能性而提出：月球是地球从金星那儿捕获。

### 2017年

由阿波罗14号的锆石碎片铀铅测年，显示月球的年龄约为45.1亿年。

### 2020年

美国国家航空暨太空总署的月球勘测轨道飞行器（LRO）微型射频仪器的一组研究人员得出结论，月球的地下金属含量，如铁和钛，可能比科学家认为的还要丰富。

2020年7月，科学家报告说，月球的形成时间为4.425±0.025 bya，比理论推想的晚了大约8,500万年，它并且乘载岩浆海洋的时间比以前认为的要长得多（〜2亿年）。

### 2023年

在2023年11月1日，科学家报告说，根据电脑模拟，在古代与地球碰撞，后来形成月球，名为特亚的原行星残骸物可能在地球的内部。

## 相关条目

- 月球地质
- 后期重轰炸期
- 月球运动论
- 地球的其他卫星
- 月球勘测轨道飞行器
- 月出号（月球登陆计划）
- 月球空心说（Spaceship Moon）：关于月球起源的非科学假说。
- 法厄同星：关于月球起源的另一个非科学假说。
- 岩浆海洋：岩浆海洋及其形成的一般描述。

## 参考资料

- Lunar formation Case Western Reserve University
- The Once and Future Moon (September 28, 2012)
- Nature - Moon-forming impact theory rescued