美国西南研究所的行星学家罗宾·坎普（Robin Canup）认为，目前对于月球的起源人类知之甚少，它的形成或是一次宇宙偶然事件的发生。为了科学认知月球起源，坎普指出，在完善相关月球模型的同时，有必要适时执行一次金星探测任务。
月球有着同地球外侧相类似的组成部分
在天空中，月球不仅仅是一个熟悉的景象，它还决定了地球上的状况。月球足够大，以至于能够稳定地球的旋转、保持地球极轴的稳定。如果没有月球，地球的倾斜会混乱地变化几十度。如此大的变化或许不会妨碍生命的诞生，但却会导致一个完全不同的地球气候。
弄清月球的组成是了解地球和其他行星形成的关键。自20世纪80年代开始，有关月球起源的工作主要专注于“大碰撞”模型。该模型指出，另一颗天体同正在形成的地球相撞而产生了一个残留物星盘，这些残留物最终并合成目前的月球。在45亿年以前地球形成的最后阶段，这种大碰撞在太阳系随处可见。
然而，我们还不详细地了解这样的碰撞是如何能够产生地球和月球的。在过去的几年中，为了解释观测到的地月系统特征，计算机模拟、来自月球任务的数据和岩石的同位素分析已增加了新机制的可能性。
相同与不同
主要的挑战是要同时解释地球和月球的动力学――特别是包含在月球和地球轨道中的整个角动量――同时还要解释为什么它们的许多成分有着相似之处。一块巨大的撞击体同地球的碰撞会提供所需的角动量，但碰撞也产生了来自于撞击体的碎片所衍生的一个星盘。如果下落天体有着同地球不同的成分，那么为什么月球的组成同地球的外侧如此类似呢？
到目前为止，相关的解释倾向于还存在一个额外的进程――来自于地球和月球物质的大量混合或与太阳的一次后期引力共振――可行性尚不清楚。因此，行星科学家们需加倍为地月系统的建模而努力，鉴定出月球和地球岩石中的化学特征，这或可以排除一些方案或其他建议。
月球和地球的组成明显存在差异。地核中富含铁，其含量占据了地球质量的约30%。相比之下，铁仅占据月球质量的不到10%。月球还含有少量易于蒸发的元素（如钾），或这些元素可能已经蒸发掉，并且随着月球从热星盘中形成而逐渐消失。
20世纪70年代，来自于“阿波罗”计划的样品分析显示了月球和地球的硅酸盐幔有着相同的氧同位素（至少在测量精度范围以内是这样的），这与来自于火星以及小行星带上的物质不同。近年来，地球和月球的相似性在不断增加：月球与地球上的铬、钛、钨和硅同位素组成似乎也没有什么区别。
美国宇航局（NASA）GRAIL探测器对月球引力的观测，连同NASA的月球勘测轨道飞行器一起，减少了对于月壳厚度和其铝丰度的估测。这些测量表明，难熔元素（高冷凝温度的金属）在地球和月球中同样丰富，而不是以前所认为的月球含量少于地球。
总的来说，这些数据意味着月球或直接起源于地球的地幔物质，或月球和地球的硅酸盐成分来自于相同的混合物质。无论是哪种情况，似乎都伴有一些特殊状况。
碰撞模型
月球碰撞模型是通过模拟进行的。由于行星碰撞所引起的高能量足以熔化甚至部分气化它们，模型中加入了压力和相位变化。引力相互作用和力矩也包含其中，因为碰撞扭曲了行星并将碎片喷射到一个星盘中。
在20世纪70年代开发的标准大碰撞模型中，月亮被解释为由一颗火星大小的天体同早期地球缓慢撞击而形成（其质量大约为地球质量的10%到15%），碰撞使得地球快速旋转，月球轨道每隔五小时接近地球。随后，引力的相互作用以及力矩，使得月球轨道将地球的转动减慢到现在的24小时一圈。这个模型得到了月球的质量、地月系统的角动量以及月球缺乏铁的原因。
更详细的化学性质是很难解释的。但是，撞击天体同早期地球有着相同的组成几乎是不可能的。例如，火星的氧同位素成分50%以上不同于地球。如果这颗撞击体如同地球与火星一样的不同，那么这些不同在月球中仍然是可探测的，即使是在一次巨大碰撞后。
由美国宇航局GRAIL探测器所绘制的月球引力场
一个被称为平衡模型的绝妙解决方案，于2007年由行星科学家卡韦赫·帕拉凡（Kaveh Pahlevan）和大卫·史蒂文森（David Stevenson）提出。他们认为，从星盘和地球外部蒸气相混合这一过程发生在碰撞之后、月球形成之前。然而，这一模型的缺陷是，这些蒸气要彻底扩散和混合至少需要100年时间。但在当时，远离星盘的部分应当开始在形成月球。
很可能月球内部保留了这颗撞击天体的成分，至少月球岩石中没有保留相关的纪录。另一难题是，碰撞后的蒸气挥发元素应该比难熔元素容易混合，但地球和月球中的氧和钛是相同的。
2012年，马蒂贾·库克（Matija Cuk）和萨拉·斯图尔特（Sarah Stewart）扩大了形成月球可能碰撞的范围。他们证明了，当月球进动周期同地球轨道的一年相匹配时，会产生太阳和月球的一个共振――如果它保持足够长的时间――把地球的旋转速度减半。随后，更大的角动量影响变得可行，包括能产生带有地幔成分的一个星盘的两种情况。
由库克和斯图尔特提出的“快速旋转地球”模型，需要一颗略小于火星的天体同地球碰撞，而地球由于早前的一次撞击已经以2至2.5小时为周期旋转。因为，地球的旋转接近临界速度开始变得不稳定，形成月球的撞击把部分地幔物质送入轨道，从而产生了一个星盘。
同样在2012年，有科学家提出“半地球撞击”模型。在这个模型中，月球是由两颗行星撞击形成的，每一颗行星的质量相当于地球质量的一半（见图表）。最后，行星和星盘包含了一半撞击天体和一半被撞击天体。与标准碰撞模型相比，这个模型需要一个大撞击体，这一设想因此显得不太可能。然而，这两个模型都对月球和地球为什么有着类似氧、铬和钛组成做出解释。
为了解释硅和钨的相似之处――能够同金属相互作用的元素――这两个模型要求撞击体的铁核保留完好。因为它会沿着地幔下降并同地核混合在一起，避免了与其他金属和硅酸盐间的相互作用。但是，这些模型中是否减慢地球转动的共振机制，目前尚不清楚，或者需要一个不大可能的狭窄范围条件。换句话说，月球起源要比我们认为的更加罕见吗？或者我们错过了一些东西吗？
未来方向
迄今，有关月球起源的模型还没有一个能脱颖而出，其关键在于能否在一些领域取得突破，或排除一些模型，或支持一些引导我们走向月球起源方向的新模型。
首先，至关重要的是理解星盘形成以及从星盘中形成的月球。因为在月球形成之前，这种混合使星盘和这颗行星的组成变得均匀，或挥发元素从星盘中丢失。而标准碰撞模型主要针对产生液体的星盘，在大角动量的碰撞下，星盘最初主要是蒸气。这样的演化星盘模型在技术上具有挑战性，需要多学科方法对其动力学和化学特性进行阐述。
其次，一个能够改变地月角动量共振的可能性需要对早期地球和月球的各种物理状态进行评估，并通过先进的模型来研判它们之间的潮汐作用。
最后，进一步对月球和地球物质的同位素比较将是极其重要的，包括难熔元素（如钙），进而用来检验平衡模型。如果能找到不可能在100年里混合成气相的元素，且这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脚；反之，如果在高难熔元素中发现地月同位素的差异，则平衡模型可以确立。
相比于诸如硅等元素，氧气可能提供了月球形成的最重要同位素约束，而地月系统、火星以及大多数陨石的氧同位素成分不同，反映了内太阳系中不同的初始成分――氧同位素丰度受后形成行星过程的影响。因此，提高氧同位素测量的精度可能会潜在排除一些碰撞模型。
一系列事件确实在自然界中发生，但科学家们正在寻求最简单的解决方案，力图避免在模型中出现这种复杂性。而作为一个美学问题：简单的方案往往更可行。随着步骤的增加，特定顺序的可能性相应会减小。相比于原始大碰撞模型，当前模型的复杂性似乎不太可行。
一条线索可能存在于金星。月球撞击体其成分同地球极其不同，这一观点主要基于我们所了解的火星。我们并不了解金星的同位素成分，这颗行星同地球很相像，无论是质量还是到太阳的距离。如果金星的同位素同地球和月球相似，那么火星似乎是一个例外，一个类似于地球的撞击体成分更有可能，许多异议可以从标准碰撞模型中去除。
确定金星同位素的成分，可能需要去执行一个金星探测任务。这样一个诱人的前景在提醒科学家：我们的太阳系后院，究竟还有多少是需要人类了解的。
资料来源Nature
责任编辑 则 鸣