月亮從哪來
專欄
作者:苗千
人們早已經習慣看到懸掛在夜空中的月亮,或盈或虧,所謂“但願人長久,千裏共嬋娟”。但是月亮帶給地球的並不僅僅是美感而已,它還對地球有著巨大的引力作用,這種引力影響著地球的自轉軸,如果沒有月亮的牽引,地球上的氣候會大大不同。不僅如此,研究月亮的來曆對於研究地球自身以及整個太陽係的行星也有著重大意義。
從19世紀開始,關於月亮的形成過程逐漸形成了幾個不同的科學理論。英國天文學家、數學家、生物學家查爾斯·達爾文的兒子喬治·達爾文(George Darwin)首先提出了“分裂理論”,他認為在地球還是一團進行著高速自轉的熾熱熔岩的時候,月亮就從地球分裂了出去,而後逐漸冷卻,形成了地球目前唯一的一顆天然衛星。還有一種理論認為,地球和月亮原本是太陽係中兩個獨立的天體,就因為運行的軌道接近,月亮被地球的引力所捕獲,才成為地球的衛星。但是這個理論的不足之處在於,人們通過計算發現,如果地球是通過引力作用捕捉到月亮,那麼月亮要麼會衝向地球,和地球發生劇烈的碰撞,要麼就是在另外的軌道上運轉,而不會穩定地運行在現在的軌道上。這個理論的一些擁護者解釋說,在當時地球表麵的大氣層可能遠比現在厚密,因此在月亮衝向地球時可能起到了一個緩衝的作用,使它穩定在了現在的軌道上。另外有一種理論是說,地球和月亮是同時形成的一個雙星係統,在形成的過程中,地球獲取了大部分的質量,而月亮隻獲得了較少的質量,因此成為地球的一顆衛星。
在1946年,美國哈佛大學的天文學家雷金納德·達利(Reginald Aldworth Daly)對於喬治·達爾文的理論進行了調整,提出了“大碰撞理論”。這個理論認為,大約在45億年前,在太陽係形成的早期,一個大小與火星接近的天體劇烈地撞擊地球,撞擊的碎片隨後形成了月亮。這個理論與目前關於太陽係形成的主流理論相符合,也可以解釋很多目前觀測到的現象,因此最為科學界所接受,從20世紀70年代開始,大碰撞理論幾乎成為月亮形成的標準理論。
但是標準理論並不是完美無缺的,對於地球和月亮成分的研究越深入,就有越多的人對於這個理論提出質疑。由一次大碰撞所形成的月亮,畢竟和地球還應該有所差別,但是從兩個天體的組成來看,地球和月亮的成分幾乎完全相同,這未免太過巧合,不是大碰撞理論所能解釋的,難免不讓人心生疑惑。
一個火星大小的天體與早期的地球相碰撞,形成地球和月亮,那麼地球和月亮的成分必定會有所不同,組成月亮的應該主要是進行碰撞的天體,而地球的主要成分應該是早期的地球元素,對於地球和月亮組成的分析結果出乎人們的意料。科學家們發現,地球和月亮的成分中氧元素同位素的比例相同,無法進行分辨——這與太陽係中其他行星物質組成的情況完全不同。除了氧元素之外,地球和月亮的鎢元素同位素比例也相同,這種情況比氧元素的同位素比例相同更讓人難以理解,大碰撞理論很難對此自圓其說。一些科學家試圖解釋,在發生大碰撞之後,地球可能處於極高的溫度下,因此很多物質都發生了氣化。在這種情況下,可能後來形成地球與月亮的物質在氣態情況下發生了混合,因此同位素的比例非常接近,無法分辨。這即便可以解釋氧元素和鎢元素的同位素比例情況,也仍然無法解釋地球和月亮中的鈦元素同位素比例也相同的情況。鈦元素不可能長時間地保持氣態狀態,因此不可能實現地球和月亮成分中的完全平衡——大碰撞理論遇到了前所未有的危機。