月球来自地球？月球起源之谜

月球，像一个秉性温柔孝顺的女儿，慢慢地改变了年轻的地球母亲的火爆脾气。40多亿年来，在它们越来越和谐的相互围绕旋转运动中，地球成为太阳系中唯一适宜生命生存的天体。当人们不再把月球只当做神话的主角，就开始用科学的方式思考月球的起源。月球是地球穿越广阔的宇宙捕获的“养女”？或月球是40多亿年前太空中进行的一场悲壮的大碰撞婚礼之后，由地球孕育而诞生的唯一的女儿？这样的争论持续了200多年……   虽然目前这些假说，在这些方面都有不同程度的依据，但在地月成分与自转速度的差异、同位素组成的相似性等方面，仍存在许多难以自圆其说的难点。   ——欧阳自远   新证：证明月球生于大撞击   对于月球的起源，近40年来的主流思想认为，地球是受到另一火星大小的天体——忒伊亚撞击，轨道中的撞击碎片聚集形成了月球。10月18日，《自然》刊登了美国华盛顿大学（圣路易斯分校）行星科学家佛雷德里克·莫瓦尼埃博士（Frédéric Moynier）与他的团队作出的最新研究结果，进一步证实了“大碰撞分裂说”。   但让科学家一直困惑的一个问题是，在早期的月球岩石分析实验中发现，与地球岩石中的化学成分相比，月球岩石中钠、钾、锌和铅等挥发性元素含量非常少，而钙、铝、钛和铀等难熔元素则比较富集。既然月球来自地球，为何会有化学成分的这种差异，这成为撞击说的重要漏洞。   莫瓦尼埃从月球岩石样本中分析锌元素的同位素组成，发现月球岩石中锌的重同位素的含量是地球岩石中锌的重同位素的十倍。这个结果看上去让人困惑，难道这不是反而更加证明了月球岩石与地球岩石的化学成分的不同？   莫瓦尼埃在邮件中告诉《中国科学报》记者：“在大撞击后，巨大的能量将忒伊亚和大量的地球地幔物质熔化，产生无数的岩石碎片和蒸汽并围绕地球运动，固体的岩石碎片聚集组成目前我们所看到的月亮。”   物质中的每一种元素都有多种变体，化学性质相同而质量大小不同，也就是同位素。大撞击导致岩石在汽化过程中，锌的轻同位素进入蒸汽中，被称为同位素分馏现象，然后在撞击碎片聚集成新的天体过程中，轻同位素跟随蒸汽逃逸，重同位素则留在了新天体的岩石中。   正是因为大撞击，地球被撞出的“基因”在巨大能量的作用下，化学成分也发生了巨大变化，导致挥发性元素的含量减少而难熔元素的含量比较富集。由于挥发性元素的同位素组成发生分馏，月球上的锌的重同位素含量就比地球的重同位素含量高了许多。也就证明了这种差异存在的合理性。   科学家们一直想通过同位素分馏的方法，模拟撞击产生的这种后果，但一直不能成功，这也导致“大碰撞分裂说”在其产生的30多年中得不到同位素方面的证据突破。   莫瓦尼埃带领的研究人员对20个月球岩石样本进行了分析，这些样本来自“阿波罗11号”“阿波罗12号”、“阿波罗15号”和“阿波罗17号”带回地球的月球岩石样本，它们来自月球的不同地点。莫瓦尼埃表示，他们选择的20个样本都是月球玄武岩，因为这种岩石来自于月球内部的岩浆，通过月球的火山活动喷发到月球表面，更能体现月球的成分。   莫瓦尼埃告诉《中国科学报》记者，在实验中，之所以选择锌作为研究对象，因为锌是一种极易蒸发的金属。因而锌的同位素也就成为这一实验证据中的重要角色。   假说：尚未终结的争论   莫瓦尼埃的实验结论是否能终结关于月球起源的争论？莫瓦尼埃告诉《中国科学报》记者：“虽然我们在月球岩石中找到的化学证据，证实曾经有过大撞击的发生。但要想进一步了解月球的形成，目前的一些实验模型包括我们的实验结果都需要改进。在那次的大撞击中，不仅仅产生了现在的月球，同时也为地球的成长演化带来了许多的原材料，它们占到目前地球质量的1.2%。因此这次大撞击也是在地球形成过程中的一个重要事件。”   中国科学院院士、中国探月工程领导小组高级顾问欧阳自远告诉《中国科学报》记者：“月球的起源与演化是人类面临的最基本的月球科学问题，也是月球探测的永恒主题和最终归宿。月球的起源与演化研究将对回答太阳系起源、地球与行星起源、生命起源等最基本的科学问题提供重要科学贡40多亿年来，月球和地球共同经历了漫长而荒古的年代。地球一直在关爱和呵护自己的独生女儿月球，月球也一直在护卫地球的安全和增添地球的活力。月球被小天体撞击得遍体鳞伤，使地球避免了许多小天体撞击的伤害；月球在地球周围运行，使地球的运行更加稳健；月球激起了汹涌澎湃的海洋潮汐，使地球增加了生命的活力；大撞击使地球的自转轴倾斜，地球表面才呈现出春夏秋冬四季的变化。 关于月球这个女儿是怎样来的，长期以来主要有捕获说、共振潮汐分裂说和双星说。近40年来，提出并被逐步完善的大碰撞分裂说获得了越来越多的观测与实验证据的支持，得到了大多数科学家的认同。   欧阳自远介绍，捕获说认为，地球与月球同属于太阳星云中独立形成的天体，依据月球的平均密度和化学组成不同于地球的特征，一部分人认为月球的形成不属于形成地球的同一团星云物质。由于地月轨道的变化，在1到10个地球半径范围内，月球就有可能被地球捕获，之后由于地球的引力改变了月球原来的运行轨道，使月球最终成为地球的卫星。月球是地球在太阳系中“抓”来的“女儿”。   共振潮汐分裂说认为，地球的初始呈熔融态，由于潮汐共振，在赤道面上一部分熔体被分裂，冷凝后形成月球。这一假说得到天文学家乔治·达尔文（进化论创立者，查尔斯·罗伯特·达尔文之子）的倡导，他认为现在的地球和月球的角动量加在一起，可以形成大约4小时为一周的自转。如果地球与月球原来在一起，那么原来的这个行星的自转周期就应该是4小时，但由于太阳的潮汐引力作用，它的周期只有2小时，这与当时的地球自由摆动周期几乎相当，这样就会引起共振，从而导致熔融状态的地球有一部分被分裂出去，地球上的太平洋是分裂之后留下的疤痕。   双星说则认为，在太阳星云凝聚的过程中，在太阳星云盘同一区域分别形成地球与月球，月球被地球捕获形成地月系。但是，地球与月球化学组成与平均密度的极大差异、地月系的角动量和运行轨道等特征，都是双星说难以解释的。   欧阳自远告诉《中国科学报》记者，月球的起源假说，必须符合目前探测与观测所获得的有关月球的事实：即月球、地球以及其他行星在太阳星云中几乎同时由星子聚集形成并很快地在大约1亿到2亿年内熔融、分异、调整；月球的总体成分与地球的平均成分差别很大；月球比地球和球粒陨石更富含难熔元素；月球更匮乏挥发性元素；月球的密度比地球的低、比地球缺水等等。   他说：“虽然目前这些假说，在这些方面都有不同程度的依据，但在地月成分与自转速度的差异、同位素组成的相似性等方面，仍存在许多难以自圆其说的难点。”