大碰撞理論

**大碰撞說**（英語：Giant impact hypothesis）是天文學界一種用來解釋月球形成原因及過程的假說，也可用於探討金星及火星等類地行星的衛星的生成。該假說認為在大約 45 億年前（或太陽系形成後約 2000 萬到 1 億年前的冥古宙），早期地球和同軌道的一顆火星大小的矮行星發生撞擊，兩者融合後殘留的碎片形成了月球。這顆撞擊地球的天體被稱為忒伊亞，這名字是希臘神話裡月神塞勒涅的泰坦母親之名。

大碰撞說是目前最受青睞的科學假說，支持的證據包括：地球自轉和月球公轉方向相同、月球曾擁有熔融態的表面、月球擁有較小的鐵核且其密度比地球低、由其他行星系統發生類似碰撞所得到的證據（即導致岩屑盤）、符合主流的太陽系形成理論。最後，月球和地球岩石擁有的穩定同位素比率是相同的，這意味著相同的起源。

儘管為目前最佳的月球形成假說，大碰撞說仍存在一些缺陷。理論上，大碰撞產生的高溫會形成全球性的岩漿海，然而，沒有證據能證明較重的物質因此沉入地函。目前，沒有模型能對於從發生大碰撞到形成月球的過程作出完美解釋。其他問題包括，月球何時開始失去揮發性物質、以及同樣發生過碰撞的金星為何沒有衛星。

## 歷史

在 1898 年，喬治・達爾文提出月球和地球曾是一體的說法。他認為由於離心力作用，月球從熔融態的地球脫離出去。這說法成為當時學術界的主流。此外，達爾文經過牛頓力學計算，得出月球過去的運行軌道比現在更接近地球，且隨著時間流逝，月球漸漸遠離地球。這個現象已由美國和蘇聯，經由月球雷射測距實驗得到證實。不過，達爾文無法解釋為何月球總是以同一面朝向地球。1946 年，哈佛大學地質學系退休系主任的雷金納德・奧德沃思・戴利改進了達爾文的假設，認為月球的形成是經由撞擊而非離心力造成。然而在 1974 年之前，戴利的解釋並不受重視，直到 1975 年威廉・肯尼斯・哈特曼和唐納德・達韋斯（Donald R. Davis）兩位博士在《伊卡路斯》（太陽系研究期刊）上發表論文，這個想法才重新受到注意。他們認為，行星形成末期形成好幾個衛星大小的星體，其中之一與地球相撞，碰撞過程中噴射出大量塵埃，而其中缺乏揮發性的塵埃在日後形成月球。這個理論可以解釋月球獨特的地質和化學性質。

加拿大及美國天文學家阿拉斯泰爾・G・W・卡梅倫和威廉・R・沃德也提出類似的假設，認為一顆火星大小的天體和地球切向撞擊並形成月球。這個假說裡，碰撞導致天體外部大部分的矽酸鹽被氣化。然而金屬的核心不會氣化，因此因碰撞而被氣化並送入地球軌道的物質幾乎都是矽酸鹽類，且月球在日後形成時因而缺乏鐵。此外，揮發性更大的物質可能在碰撞之後離開太陽系，而矽酸鹽類則傾向於聚合成天體。

## 忒伊亞

忒伊亞名稱取自古希臘泰坦神話中的泰坦女神忒伊亞，她是塞勒涅（月亮女神）的母親。這個名稱最初由英國的地球化學家亞力克斯.N. 哈利德在 2000 年提出，並且已被科學界接受。依據現行的行星形成理論，忒伊亞是一顆存在於 45 億年前的原行星，大小與火星相似。地球形成的過程中，曾與數十個原行星發生過碰撞，忒伊亞與地球產生月球的「大碰撞」只是這些碰撞中的其中一次。

## 基本模型

天文學家認為大碰撞發生在約 44 億到 44.5 億年前，大約是太陽系開始形成後 3,000 萬年至 5,000 萬年。在天文學的術語中，這次撞擊的速度是溫和的，忒伊亞以傾斜角撞擊地球，而當時的地球幾乎已經完全成形。電腦模擬「後撞擊」的結果顯示，撞擊的角度大約是 45°，初始速度低於 4 公里 / 秒。忒伊亞的鐵核沉入了早期地球的地核，同時，兩者的地函互相混合。然而，地球和忒伊亞的地函有很大一部分被拋擲進入環繞地球的軌道（當速度介於軌道速度與逃逸速度之間）。這些物質很快的合併形成月球（所花的時間可能不會少於一個月，但也不會超過一個世紀）。一些物質進入環繞太陽的軌道，並且穩定的待在它們的克卜勒軌道上，地球 - 月球系統之後很可能撞上它們。（因為地球 - 月球系統也是固定運行在繞太陽的克卜勒軌道上。）

計算機模擬的結果估計，忒伊亞的物質有大約 20% 會成為環繞地球的碎屑，而這些碎屑中的半數會合併形成月球。地球從這次撞擊獲得巨大的角動量和質量。無論撞擊前地球的自轉速度和傾角是如何，撞擊後地球上的一天只有五小時長，且地球的赤道和月球軌道形成共平面。

並非只有月球形成，由於月球背面的地殼較厚，表示直徑大約 1,000 公里的第二顆衛星可能曾存在於月球與地球的拉格朗日點；數千萬年後，這兩顆衛星離地球越來越遠，太陽的潮汐力使得拉格朗日軌道變得不穩定，這顆小衛星最後以緩慢的速度撞擊到月球背面。

## 餘波

於 2001 年，華盛頓卡內基研究所的一個團隊檢測阿波羅計畫所採集到的月球岩石，結果發現它的同位素特徵與地球上的完全相同，而不同於來自於太陽系的其它物體。因為以往認為大部分形成月球的物質是來自忒伊亞，所以這是個出乎意料的結果。

2007 年，來自加利福尼亞理工學院的研究顯示，忒伊亞與地球有同樣同位素的可能性很低。(少於 1%) 他們建議大碰撞過後，地球與原月球處於熔融態，且兩者之間存在矽酸鹽蒸汽組成的大氣，地 - 月系統藉由這片大氣的對流進行物質交換。這是唯一能解決 "同位素相同" 此一問題的假設，然而條件是此過程必須維持至少 100 年。
2014 年，一份德國的研究報告顯示，兩者（阿波羅計畫與地球）的岩石同位素特徵確有微小差異。儘管差異微小，在統計上仍是十分顯著 。一個可能的解釋是，忒伊亞是在靠近地球的地方形成的。

## 碰撞的證據

大碰撞的間接證據來自阿波羅計畫採集到的月球岩石，其中的氧同位素比例與地球上的完全相同。除此之外，月球的地殼擁有高比例的斜長岩，以及豐富的克里普礦物，這表示大部分的月球可能曾經是熔融態的，而大碰撞產生的高能量很容易就能形成這種岩漿海。若干證據顯示，如果月球有一個鐵核心，那麼這個核心肯定很小。就月球的平均密度、轉動慣量、自轉特徵和磁感應的回應等因素推測，月球的核心半徑可能小於月球半徑的 25%，相較之下，大多數天體的比率是 50%。碰撞的各種條件可以發現，月球的成分主要來自地球和撞擊體的地函，而撞擊體的核心與地球結合，這假設能滿足地球 - 月球系統的角動量分配。

對月球、地球及火星的岩石樣本作鋅同位素組成比較，提供大碰撞說更進一步的證據。行星岩石在揮發時，鋅的同位素之間會被明顯的分餾，但一般的火成岩不會有這個現象 — 因此，鋅的含量與同位素組成能清楚的分辨這兩種地質過程。與地球和火星的火成岩做比較，月球的岩石含有較多鋅的重同位素，且含有較少的鋅；這表示鋅自月球上蒸發而被耗盡，且大碰撞說的起源一致。

在距離 29 秒差距，年輕（大約 1,200 萬歲）的繪架座 β 移動星團內的恆星 HD 172555 附近，史匹哲太空望遠鏡觀測到了溫暖富含矽的塵埃和大量的氧化矽（SiO）氣體，它們是岩石之間高速度（> 10 km/s）撞擊的結果。昴宿星團的年輕恆星 HD 23514 也被觀測到距離恆星 0.25AU 和 2AU 之間存在有溫暖的塵埃帶，它們被解釋為行星大小的物體互相碰撞的結果，而且碰撞的天體可能就是忒伊亞與原始地球。在 BD +20°307（HIP 8920, SAO 75016）這顆恆星也檢測到另一個相似的溫暖塵埃帶環繞著該恆星。

## 難點

這個解釋月球起源的假說還有一些尚未解決的困難，例如，大碰撞所產生的高能量理應形成岩漿海。然而，沒有任何證據顯示地球曾經有過這種岩漿海洋，而且地球上存在一些從未受岩漿海影響的物質。

### 結構

一些成分上的不一致需要提及。

* 大碰撞說不能解釋月球上揮發物質的比率。如果大碰撞說是正確的，就必須要有其他解釋。
* 現存的揮發性物質是大碰撞說很難解釋的，像是月球岩石玄武岩中的水。如果月球是經由大碰撞形成，會引起災難性的加熱事件。
* 月球的氧化鐵含量高達 13%，介於火星的 18% 和地球地函的 8% 之間，大大減少了原始月球的可能的物質來源。
* 如果原始月球的物質來自大碰擊，大部分的月球物質應是親鐵元素，但月球卻缺乏這類元素。
* 氧同位素的比率可以非常精確的測量，且太陽系的每個天體都有獨特的比率。如果忒伊亞曾經是一顆獨立的原行星，它的比率很可能和地球不同，這差異應該在月球上顯現。然而月球的氧同位素比率基本上卻與地球相同。
* 月球的鈦同位素比率（50Ti/47Ti）和地球的非常接近（在 4 ppm 以內），這表示忒伊亞的物質僅能極少量的存在在月球上。

### 金星欠缺衛星

金星同地球為類地行星，它可能也遭遇過類似「大碰撞」的撞擊，並產生一顆衛星，但實際上，金星卻沒有衛星。一種可能性是發生了第二次的碰撞抵消了第一次撞擊所產生的角動量；另一則是太陽強大的潮汐力也會破壞靠近行星的衛星軌道。基於以上理由，如果金星早期的自轉速度又足夠緩慢，則大小超過數公里的衛星可能早已落入這顆行星的表面了。

混沌期的類地行星進行模擬，表明類似「大碰撞」的撞擊是很常見的。對於擁有 0.5-1 倍地球質量的典型類地行星，這樣的撞擊通常會形成擁有行星質量 4% 左右的單一衛星。這顆衛星的軌道傾角是隨機的，但是會影響到後續的演變。例如，一些軌道可能導致衛星螺旋的回到行星內。同樣的，恆星與行星的距離也會影響到軌道的演變。若距離類地行星越遙遠且與其軌道對齊，將能增加衛星穩定環繞軌道的機會。

## 忒伊亞可能的來源

在 2004 年，普林斯頓大學的數學家愛德華・貝爾布魯諾和天文物理學家約翰・理察・戈特提出忒伊亞在相對地球的 L4 或 L5 拉格朗日點（在與地球相同軌道上的前方或後方 60° 的位置）發生撞擊，類似於一顆特洛伊小行星。 二維的電腦模擬顯示忒伊亞的特洛伊軌道在忒伊亞的質量累積到地球質量的 10% 時將會失去穩定。此時，忒伊亞的引力攝動將使其從穩定的拉格朗日位置離開，並且隨後就和原始地球產生交互作用，導致這兩個天體的碰撞。

在 2008 年，新證據顯示大碰撞可能不是發生在以往所認知的 45.3 億年前，而在約 44.8 億年前。

大碰撞可能還創造出了其它值得注意的天體，它們在地球和月球之間的拉格朗日點上堆積。這些天體可能停留在地球 - 月球系統內一億年，直到其他的行星引力打破了這個系統平衡，使它成為自由天體。在 2011 年的一項研究推測，月球與其中一個小天體發生碰撞，造成月球兩半球之間的顯著物理差異。由於這些碰撞的速度夠低，因此不會形成坑洞。否則這些小天體的物質會遍佈在月球上（自其背面開始），為月球增添一層厚厚的地殼。質量的不均勻隨後產生重力梯度，並導致月球的潮汐鎖定，於是今日，從地球上只能看見月球的同一面。

## 修正後的假說

典型的大碰撞說不能完美解釋地球和月球在物質成分上的相似。蘇黎世聯邦理工學院的物理學家 Andreas Reufer 和她同事們提出其他可能，忒伊亞可能是直接與地球面對面的碰撞，而不是勉強的擦撞。碰撞的速度可能遠高於先前的估計，而且可以完全的摧毀掉忒伊亞。經過這樣的修改，忒伊亞的組成成分不再有那麼多的限制，即使忒伊亞有 50% 是由冰組成也有可能。

## 其它的假說

其他關於月球起源的假說有：月球是因為離心力從熔融的地球表面剝離；月球是來自其他地方，然後被地球引力場捕捉；或是地球和月球在相同的時間和地點從同一個吸積盤形成。這些假說沒有一個可以解釋地球 - 月球系統的高角動量。

一個假說認為，月球的形成時間點比以往所認為的久，大約在太陽系形成後 6,000 萬年至 1 億 4,000 萬年之間，月球的年齡在 45.27 億 ±1,000 萬年間。這個假設會在地球上產生岩漿海，讓地球和原始月球可以藉由金屬蒸氣的交換以達到成分的平衡。

另一個由羅賓・克納提出的假說認為月球和地球是一起形成的。在這個假說裡，兩顆有火星 5 倍大小的小行星互相碰撞，產生了兩顆大小相似的行星。這兩顆行星再碰撞，然後產生我們現在的地球。再碰撞之後的地球被物質環包圍著，而這些物質環聚合起來形成原始的月球。這個新假說能解釋地球和月球相似的成分。

## 相關條目

## 參考文獻

### 進階讀物

**學術論文**

 

**一般圖書**

## 外部連結

* 行星科學研究所：大碰撞假說（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）關於大碰撞假設的頁面，哈特曼和達韋斯屬於該所。該頁還包含了哈特曼本人繪製的碰撞圖像。
* Origin of the Moon（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） by Prof. AGW Cameron
* Klemperer Rosette simulations using Java applets（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* UCSC 西南研究所的大碰撞假說模擬（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（.wmv 和.mov）
* UCSC 西南研究所的研究者證實形成月球的碰撞（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 西南研究所出版文章（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）討論了查龍的碰撞成因假說。
* 羅塞特（Klemperer Rosette）的 Java applets 模擬（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）：另外還有一些小程序模擬了某體位於拉格朗日點的多體問題，並且展示了軌道的混沌特性，這與假說中特伊亞對地球的碰撞軌道的混沌不穩性是相似的。
* 月球起源－電腦的吸積模型
* Moon Archive（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - Including articles about the giant impact hypothesis
* Planet Smash-Up Sends Vaporized Rock, Hot Lava Flying（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（2009-08-10 JPL News）
* How common are Earth-Moon planetary systems?（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（arXiv:1105.4616: 23 May 2011）
* 形成月球的大碰撞後，地球出乎意料的狀態（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - Sarah Stewart (SETI Talks), Jan 28, 2015