月球的起源一直是个谜，人类为此不知探索了多少世纪。一种新的“大碰撞”学说有可能解开这个谜团。

阿波罗登月计划带来的希望和困惑

太阳系中，只有地球拥有月球这样一个奇特的伴侣。水星和金星没有卫星，火星有两个微小的马铃薯状的卫星。至于那些由巨大的气团形成的小卫星们同它们的母体行星相比，更显得那样的渺小。只有冥王星有颗能与母体匹敌的卫星“卡戎”。但两三个“卡戎”加起来，甚至就连冥王星自己，也没有月球大。

月球的起源一直是一个谜。当初，“阿波罗”飞船从月球带回的数百磅月岩石被认为有助人类解开这个谜团。但研究发现，月岩石似乎也帮不了太大的忙。有关月球起源先前主要有三种假说。美国亚利桑那州大学的行星学家杰伊 · 梅尔什（Jay Melosh）说：“月岩石的有些数据支持一种假说，而另一些数据又支持其他假说，证据不明确，结果令人困惑。”

困惑中，科学家又提出了一种大碰撞假说，认为月球源自古地球与另一个有半个地球大小的天体碰撞后形成的断块。此假说虽然也有些牵强，但它与阿波罗的发现物相符。支持者认为该学说也能解释地球与月球之间的某种动力学关系。

证明该学说似乎是不可能的，地球上不会发现碰撞的痕迹，因为每过1.5亿年左右，大部分地壳会折叠下陷一次。一些使人困惑的事实似乎模糊了碰撞的情景。到20世纪80年代，探索月球起源的科学家数量少了许多。许多人认为这个问题是难以解决的。

在过去的5年里，随着科技的发展，大碰撞学说又被重新提起。高速计算机的出现，已使人类建立起更加精确的碰撞力学模型。21世纪的地球物理学已经除去了先前令人迷糊的“事实”的障碍。现在，科学家借用碰撞学说来解释行星群的成因。例如，水星相当大的铁核，是由于碰撞而剥去了水星大部分的外层覆盖物。金星也可能是碰撞产生的断块。一次剧烈的撞击可能造成了天王星奇怪的轴向倾斜，使它几乎偏离了垂直方向90度。一个“卡戎”或许也诞生于冥王星的撞击中。科罗拉多州玻尔得市西南研究院的行星科学家罗宾 · 坎普（Robin Canup）认为：“我们原来关于早期太阳系的想法，要让位于随机碰撞形成的行星状物体的观念了。”梅尔什说：“公正地讲，碰撞说比其他假说更有说服力。”

今天，阿波罗采集的月岩样本被存放在休斯敦美国航空航天局的实验室中。亚利桑那州大学的行星学家蒂姆 · 斯温德勒（Tim Swindle）存有八毫克这样的月尘土。这些样本一部分是由阿波罗11号采集的，另一部分是前苏联的“月神”计划中由机器人采集的。斯温德勒说，表面上这些样本同地球上的岩石没有太大的区别。但在放大镜下，一些区别会显现出来，部分月球尘受陨石撞击已“风化”，其表面由于碾压和熔化而呈光泽和具有微小的颗粒。光谱测量也显示出一些月球尘受太阳风影响的痕迹（月球不像地球既无大气层也无磁场保护）。

月岩石的矿物成份包括铁、硅、镁和锰等，与地球岩石类似。氧同位素分布——一种用来判别太阳系中岩石出处的特征——也同地球的地质状况相同。斯温德勒说，月岩石同地球岩石基本上由相同成份组成。

地月岩石的相似性可以与先前提出的三种假说中的任何一种相容。如裂变说认为，早期飞快旋转的地球抛出了自身一部分而形成月球；连生说认为，月球与地球是在同一时期和地点，由围绕太阳旋转的巨大的气体和尘埃环浓缩而成；捕获说认为，地球的引力捕获了周围徘徊的月球。

但是月岩石在一些重要方面不同于地岩石。有一点是，月球岩石要比预期的更加干燥。地球上，水分子可以渗入矿物晶格的间隙中。科学家们估计，下地幔中含水矿物贮存的水约是海水的5倍。而科学家们在月岩样本中甚至没能发现一个水分子。梅尔什说：“即使一分子的水也没在月岩标本中发现。”月岩石中也缺少活性强的元素，如钠和钾。

图为“阿波罗”11号宇航员阿尔德林在月球表面

月球的密度是地球的一半多点。因此有人认为月球内部缺少地球所有的铁核。阿波罗宇航员利用地震波证实月球的核是小的，甚至不存在。如果月球和地球起源于太阳系中的同一时间和区域，为什么月球没有地球那样的核呢？先前提出的三种假说不能解释这个问题。

大碰撞为地月体系提供了角动量

某些不适当的物理学定律也使得先前的月球起源说不可信。主要的问题与角动量有关（这是太阳系中旋转的量度）。在地月系统中，要保持地球自转与月球在轨道上转动的方向一致，其旋转的合动量必须始终相同。

再让我们考虑地月关系的另一个现象。在上世纪30年代，科学家们根据先前的天文学资料，计算出了月球正以每年1英寸多的速度远离地球。由阿波罗宇航员安置在月球表面的激光反射器也进一步证实了这一点。在40多亿年前，当月球形成时，地月间距离仅是现在的1/15，大约是16，000英里——相当四个地球半径。现在的距离则达240，000英里。那时天上的月亮看上去要比现在大15倍。

按照角动量理论，如果月球过去曾距地球更近，那么地球的自转速度一定比现在快，白天可能仅持续5个小时。即使如此，动力学模拟实验表明，古地球还是旋转得太慢，不足以如裂变说所认为的那样将自身的一部分抛出。相反，它又旋转得太快，无法将邻近轨道上运行的月球捕获。而连生说则未能为该体系提供足够的旋转角动量。显然这些假说都存在着明显不足。

工作在图森市行星科学研究院的威廉 · 哈特曼（William Hartmann），通过研究类地行星的地表特征来帮助弄清它们的成因和构成。这些行星最显著的地表特征是宇宙间的物体相互碰撞形成的痕迹。最大的坑可能形成于45.6亿年前，那时飘荡在新生的太阳系星云中的高温气体和尘埃冷却后结成早期的固体物质。在撞击中，这些物质结合在一起，约1亿年以后，这些最初较轻的结合物逐渐变成了彪形大汉，可以将任何它们运行中遇到的东西撞得粉碎，它们中的幸存者发展成了今天的水星、火星、金星和地球等。

“在最初的几亿年里，星际空间中有许多这样的原料物质”。哈特曼说，“因此，一旦存在有一个地球大小的行星，它就会遭到这些物质连续的攻击。我认为有一个庞大的星际物质在地球成长过程中就已形成，当地球形成后，它们发生了碰撞，撞击产生的物质形成了今天的月球。”

哈特曼认为这种灾难性的碰撞，如果仅是撞掉了地球的外壳和上地幔而未损及铁核的话，它就能够解释地月表面的相似性。如果撞击产生了足量的热，那么被撞出去的物质中的水和其他易挥发物质就会被烧掉，并在太空中消失。当哈特曼和他的同事唐纳德 · 戴维斯（Donald Davis）于1974年发表了该大碰撞学说时，他们得知哈佛大学的一个天文小组也具有相同的构想。亚利桑那大学的阿拉斯泰尔 · 卡梅伦（Alastair Cameron）和西南研究院的威廉 · 沃德（William Ward）认为大碰撞为地月系统提供了角动量。

“这两个小组从不同的角度，各自独立地得出了相同的结论，这是十分清楚的。”哈特曼说，“作为这个领域的权威，卡梅伦将会给我们带来全新的观念”。

著名卡梅伦模拟实验显示，碰撞产生的喷出岩粉碎成为微小的颗粒并以螺旋状环绕地球运行。但沿轨道运行的碎片之间的碰撞又立即使它们中的许多碎片重新结合起来，在大约几十年或仅一个月的时间内，形成卫星大小的物体。月岩标本还被发现含有大量的低密度矿物。对这唯一可信服的解释是：月球表面曾经呈熔融状态。在这样的岩浆海洋中，轻质矿物会浮到液岩的上部。冷态物质缓慢的聚集是不大可能产生熔态月球的。但大碰撞产生的热量则有可能使喷出岩熔化，又很快凝结在一起。

“我们从阿波罗及以后的登月探测中发现，月球最初存在有岩浆海洋。”马里兰州约翰 · 霍普金斯大学应用物理研究所的地质学家保罗 · 斯普德斯（Paul Spudis）说：“而形成岩浆海洋的唯一方式是月球形成得非常迅速。而要做到这一点，最好的途径是通过大碰撞这样的事件使地球轨道中产生一些碎片。

图为“阿波罗”15号登月车在月球上

碰撞时喷射出的物质至少相当于两个月球

虽然大碰撞说可以解释许多月球的特性。但它与人们了解的早期地球情况不相符。例如，该学说认为，碰撞发生时，地球已拥有铁核——铁元素在地球早期积聚过程中，同轻元素分离而移到地球中心。对于铁核形成的确切时间，专家们已争论了几十年。一些地球地层资料显示，铁核形成于最古老的月岩石形成之后。如果那是事实的话，碰撞理论不能解释月岩标本中为什么缺乏铁元素。

如果大碰撞时，铁核已存在，地质学家面临的另一个问题是：足以产生月球岩浆海洋的大碰撞的热量和力量，至少也可以将地球部分表面熔化。但地质学家未能发现地壳熔化的证据。如果那种情况发生的话，科学家们希望能发现亲铁元素如镍、钨、钴从地球表面移向内部的证据。这种情况并未发生，亲铁元素仍留在地幔中较高的地方。而其他本该在液态地幔中分离的元素却混合在一起。大碰撞说是离不开地幔的熔化。因此只要地球化学家告诉我们，地幔从来没有熔化过，这个学说就会陷入窘境。

过去几年中的一些发展都有助于排除这个障碍。坎普是从研究行星环开始后转入研究有关月球问题的。她知道对漂浮残余物的重力影响因残余物距行星的远近而异。距轨道上非常近的颗粒，会雨点般地落回行星表面；较远的颗粒，则停留在高空，保持稳定的运行，碰撞时也不会粘结到一起；而那些更远距离的抛出物将摆脱引力的作用而消失于空间；只有环绕行星空间的某一区域的颗粒碰撞时，才能粘结到一起。坎普利用计算机模拟显示，产生出月球大小的卫星，碰撞喷射出的物质至少相当于两个月球的质量。

这一思想让地质学家欣喜若狂。有两种方式可以在轨道上获得更大的质量：一是更大的碰撞物，一是间接的而非直接的撞击。每一种情况都将产生更大量的热。一些模拟实验其温度可高达18000℉。这种极端高温可以解释地幔熔化的地质学证据之所以缺乏的原因。90年代中期，利用一种叫复式压砧的设备，研究人员第一次将温度和压力提升到一个极高的水平。在这样条件下，亲铁物质没有像科学家们原先设想的那样移动，亲铁物质在熔化层中的特征是不明显的。其他最近的计算机模拟显示，大碰撞将引起地幔的强烈搅动，以致地质元素熔化时不会表现出明显的分离现象。

现在，科学家们已可以利用先进的放射性同位素测量法，估计地球核形成的时间。最新的数据表明，铁移入地球内层的时间较早，可能发生于地球形成后的5000万年。但基于“铪-钨时钟”（利用微量元素铪和钨作为地理学证据来确定岩石年龄）得出的结论目前还与上述假说有矛盾。

事实上，关于月球起源的细节仍是不清楚的。专家们对碰撞发生在地球生成前还是生成后还有争论。另外，撞击物的身份也有待弄清，有人用希腊月神之母忒伊亚（Theia）的名字称呼它。理论学家和经验论者想知道，忒伊亚的质量到底有多少给了地球，有多少凝结成了月球，有多少被抛入空间。有关忒伊亚的问题也许是最难解决的。

现在科学家们认为，月球的起源可能是这样的：45亿年前，处于幼年时期的地球正同成群的新行星围绕着炽热的太阳旋转。不知来自何方的有半个地球大小的星际物以每秒几英里的速度向地球疾驰而来，整个撞击过程持续了约半个小时，大部分撞击物和一部分地球熔化、气化进入了周围空间。全部粉化了的岩石在原始太空中又再次浓缩成尘埃。在一个月，一年或一个世纪的时间里，这些岩屑引发的灾难结果在地球显现……两者从而再也难解难分。

“月球起源于碰撞，其实与月球上的盆地和陨石坑的形成，以及恐龙的灭亡和夜晚流星划破天空而过的原因是一样的。”哈特曼说，“它们只是在规模、时间间隔和频率上不同罢了。”

[Discover，2003年2月号]