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大碰撞说

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艺术家对两颗行星体碰撞的描绘。地球和火星大小的物体之间的这种撞击很可能形成了月球。
地球（蓝色）和忒伊亚（黑色）的碰撞轨迹模拟动画

大碰撞说（英语：giant impact hypothesis），有时被称为大飞溅（Big Splash）或忒亚撞击（Theia Impact），是行星地质学上用来解释月球的起源的一个科学假说，最早由加拿大地质学家雷金纳德·戴利于1946年提出。大碰撞说认为月球是由早期地球和一个火星大小的同轨道矮行星之间发生碰撞造成的喷出物再次吸积形成的，时间大约在45亿年前的冥古宙初期，即太阳系凝聚成后约2,000万至1亿年[1]。这个撞地球的天体有时被以希腊神话中月亮女神塞勒涅之母的泰坦——忒亚命名[2]，称为忒伊亚（Theia）。2016年一份报告中发表的对月球岩石的分析表明，忒伊亚很可能是个源自拉格朗日点的特洛伊体，受到木星或金星的引力影响发生摄动后偏离稳定轨道，最后是直接正面撞击地球，导致两个行星的地幔碎裂并且行星核心彻底混合[3]。

大碰撞说是现时备受推崇的解释月球形成的热门假说[4]。有证据支持这一假设：

  • 月球公转方向与地球的自转方向基本一致[5]。
  • 地月系统包含异常高的角动量，这意味着地球自转、月球自转和月球绕地球公转所包含的动量明显高于其他类地行星。外来的巨大撞击可能提供了这种多余的动量。
  • 月球样本表明月球曾经熔融到相当大但未知的深度。这可能需要比预测的更多的能量，很难从月球大小的天体的质量中通过吸积获得。一个非常有能量的过程，比如巨大的撞击，可以提供这种能量。
  • 月球有一个相对较小的铁核，这使月球的密度低于地球。火星大小的物体与地球的巨大撞击电脑模型表明，撞击体的核心可能会穿透地球并与地核融合。这使得月球拥有比其它行星体更少的金属铁，因为形成月球的喷出物是被喷过洛希极限因此没有落回地球重新熔入地表的地壳和地幔碎片，含铁量和密度都不高。
  • 与地球相比，月球的挥发性元素减少了。在相对较低的温度下蒸发，它们可能会在高能事件中遗失，月球较小的引力无法在地球捕获它们的时候捕获它们。
  • 在其它恒星系统中也有类似碰撞的证据，导致岩屑盘。
  • 巨大碰撞符合太阳系生成的主要理论
  • 月球岩石和地球岩石的稳定同位素比例相同，这意味着有一个共同的起源[6]。

然而，关于巨大撞击假说现时的最佳模型，仍然存在几个问题[7]。据预测，这样一次巨大撞击的能量会加热地球，产生一个全球性的岩浆海洋（英语：Magma ocean），有证据表明，较重的物质下沉到地幔中，从而导致行星分化[8]。然而，没有一个独立的模型从巨大撞击事件开始，并遵循碎片演变成单一个月球的过程。其他悬而未决的问题包括月球何时失去了挥发性元素的份额，以及为什么金星在形成过程中经历了巨大的撞击 – 它在形成过程中经历了巨大的撞击[来源请求] – 没有类似的卫星。

历史

1898年，乔治·达尔文提出地球和月球曾经是一个整体。达尔文的假设是，熔融的月球是由于离心力而从地球上旋转出来的，这成为了主流的学术解释[9]。利用牛顿力学，他计算出月球过去的轨道距离要近得多，并且正在远离地球。这种漂移后来被美国和苏联的实验证实，这些实验使用了放置在月球上的激光测距目标。

然而，达尔文的计算无法解决追溯到月球从地球表面抛离所需的力学问题。在1946年，哈佛大学地质学系退休的系主任雷金纳德·奥德沃思·戴利对达尔文的解释提出了质疑，将其调整为假设月球的形成是由撞击而非离心力引起的[10]。但戴利教授的挑战很少受到关注，直到1974年的一次卫星会议上，这个想法才被重新提出，直到1975年威廉·肯尼斯·哈特曼（William Kenneth Hartmann）和唐纳德·达韦斯（英语：Donald R. Davis (astronomer)）两位在《伊卡路斯》（太阳系研究期刊）上发表论文，这个想法才重新受到注意。他们的模型表明，在行星形成期结束时，已经形成了几个卫星大小的天体，这些天体可能与行星碰撞或被捕获。他们提出，其中一个物体可能与地球相撞，喷出耐高温、挥发性差的尘埃，这些尘埃可以结合形成月球。这次碰撞可能解释月球独特的地质和地球化学特性[11]。

加拿大天文学家Alastair G.W.Cameron（英语：Alastair G.W.Cameron）和和美国天文学家William R.Ward（英语：William Ward (astronomer)）也提出了类似的假说，他们认为月球是由火星大小的物体[[切线|侧面撞击地球形成的。据推测，碰撞体的大部分外层硅酸盐会被蒸发，而金属核则不会。因此，大多数被送入轨道的碰撞物质都是由硅酸盐组成的，这使得聚集而成的月球缺乏铁。碰撞过程中释放出的强挥发性物质可能会逃离太阳系，而硅酸盐则倾向于合并成团[12]。

在1969年10月，关于月球起源的会议召开的18个月前，比尔·哈特曼（英语：Bill Hartmann）、罗杰·菲利普斯（英语：Roger Phillips和杰夫·泰勒（英语：Jeff Taylor）向其他月球科学家提出了挑战：“你有十八个月的时间。回到你的阿波罗数据，回到你的电脑，做任何你必须做的事情，但下定决心。除非你对月球的诞生有什么要说的，否则不要来参加我们的会议。”1969年在夏威夷科纳举行的会议上，巨大撞击假说成为最受欢迎的假说。

在会议之前，有三种“传统”理论的支持者，还有一些人开始认真对待这一巨大撞击的假说，还有一些冷漠的中间派，他们认为这场辩论永远不会得到结论。会后，基本上只有两个群体：巨大撞击阵营和不可知论者[13]。

特亚

主条目：忒伊亚

特亚名称取自古希腊泰坦神话中的泰坦女神忒亚，她是塞勒涅（月亮女神）的母亲[6][2]。这个名称最初由英国的地球化学家亚力克斯.N.哈利德在2000年提出，并且已被科学界接受[2][14]。依据现行的行星形成理论，特亚是一颗存在于45亿年前的原行星，大小与火星相似。地球形成的过程中，曾与数十个原行星发生过碰撞，特亚与地球产生月球的“大碰撞”只是这些碰撞中的其中一次。

假设的原行星的名字源于古希腊泰坦神话中的泰坦女神特亚 /ˈθiːə/，她生下了月亮女神塞勒涅（英语：Selene）。这一名称最初由英国地球化学家亚力克斯.N.哈利德（英语：Alexander Halliday）于2000年提出，并已被科学界所接受[2][14]。根据现代行星形成理论，特亚是45亿年前存在于太阳系的火星大小天体群的成员之一。大碰撞假说的一个吸引人的特征是，月球和地球的形成是一起的；在其形成过程中，地球被认为经历了数十次与行星大小的物体的碰撞。形成月球的碰撞可能只是一次这样的“巨大撞击”，但肯定是最后一次重大撞击事件。小得多的小天体的后期重轰炸期发生在大约39亿年前的 – 后期。

基本模型

大碰撞说的简单表述。

天文学家认为地球和特亚之间的碰撞发生在大约44到44.5亿年；在太阳系开始形成后约1亿年[15][16]。从天文学的角度来看，撞击的速度是温和的。特亚被认为是在地球几乎完全形成时以斜角撞击地球的。对这种“后期撞击”场景的电脑模拟表明，撞击器的初始速度在“无穷远”处（足够远，引力不是一个因素）低于4千米每秒（2.5英里每秒），在撞击时随着接近而增加至9.3千米每秒（5.8英里每秒），撞击角约为45°[17]。然而，月球岩石中氧同位素的丰度表明特亚和地球“剧烈混合”，表明撞击角度陡峭[3][18]。特亚的铁核会沉入年轻的地核，而特亚的大部分地幔则会附着在地球的地幔上。然而，来自特亚和地球的地幔物质的很大一部分会被喷出进入绕地球轨道（如果以轨道速度和脱离速度之间的速度喷出）或进入绕太阳的独立轨道（如果喷出速度更高）。

建模[19]假设绕地球轨道上的物质可能在三个连续阶段吸积形成月球；吸积首先来自最初存在于地球洛希极限之外的天体，这将内盘物质限制在洛希极限内。内部圆盘缓慢而粘稠地扩散回地球的洛希极限，通过共振相互作用沿着外部物体推动。几十年后，该圆盘扩散到洛希极限之外，并开始产生新的物体，这些物体继续著月球的生长，直到数百年后内圆盘的质量耗尽。因此，稳定的开普勒轨道中的物质很可能在稍后的某个时候撞击地月系统（因为地月系统绕太阳的开普勒轨道也保持稳定）。基于电脑模拟对这一事件的估计表明，特亚原始质量的大约20%最终会成为绕地球运行的碎片环，其中大约一半的物质会合并到月球上。地球会从这样的碰撞中获得大量的角动量和质量。无论撞击前地球自转的速度和倾角如何，撞击后地球将经历大约五个小时的一天，地球赤道和月球轨道将变成共面[20]。

并非所有的环资料都需要立即清理：月球背面增厚的地壳表明，在月球的拉格朗日点形成了直径约为1,000千米（620英里）的第二个月球的可能性。较小的月球可能已经在轨道上停留了数千万年。当这两颗卫星从地球向外迁移时，太阳潮汐效应会使拉格朗日轨道不稳定，导致低速碰撞，将较小的月球“覆盖”到现在的月球背面，为其地壳增加物质[21][22]。 月球岩浆无法穿透背面的厚地壳，导致月海减少，而正面的薄地壳显示出从地球上可以看到的大片月海[23]。

巨大撞击造成月球形成的模拟。

在模拟的高分辨率阈值的情况下，2022年发表的一项研究发现，巨大的撞击可以立即将质量和铁含量与月球相似的月球送入地球洛希极限之外的轨道。即使是最初通过洛希极限的卫星，也可以通过部分剥离，然后扭转到更宽、稳定的轨道上，可靠地、可预测地存活下来。此外，这些直接形成的卫星外层在较冷的内部熔化，由大约60%的原地球资料组成。这可以缓解月球类地球同位素组成与撞击器预期的不同特征之间的紧张关系。立即形成为月球的早期轨道和演化开辟了新的选择，包括使用高度倾斜的轨道来解释月球倾斜的可能性，并为月球的起源提供了一个更简单的单阶段场景[24]。

组成

2001年，华府卡内基研究所的一个团队报告称，阿波罗计划的岩石携带的同位素特征（英语：Isotopic signature）地球岩石相同，与太阳系中几乎所有其他天体都不同[6]。

2014年，德国的一个团队报告称，阿波罗计划的样本的同位素特征与地球岩石略有不同[25]。差异虽然小，但具有统计学意义。一种可能的解释是特亚是在地球附近形成的[26]。

经验显示，这些成分非常相似的数据只能用标准的巨大撞击假说来解释，因为在碰撞之前，两个物体的成分极不可能如此相似。

平衡假说

2007年，加州理工学院的研究人员表明，特亚与地球具有相同同位素特征的可能性很小（不到1%）[27]。他们提出，在大碰撞之后，当地球和原月球盘熔化和蒸发时，这两者间由存在着一个共用的硅酸盐蒸汽大气层连结，当地球-月球系统以连续流体的形式存在时，地球-月球体系通过对流搅拌而变得均匀。撞击后地球和原月盘之间的这种“平衡”是唯一一种解释阿波罗岩石与地球内部岩石同位素相似性的方案。然而，为了使这种情况可行，原始月盘必须持续大约100年。确定这是否可能的工作仍在进行中。

直接碰撞假设

根据物理学家安德烈亚斯·路透（英语：Andreas Reufer）及其同事在伯尔尼大学进行的模拟研究（2012年），为了解释地球和月球的相似组成，特亚直接与地球相撞，而不是几乎擦过地球。碰撞速度可能比最初假设的要高，而这个更高的速度可能已经完全摧毁了特亚。根据该修改，特亚的组成不受任何限制，使得高达50%的水冰的组成成为可能[28]。

联合体假说

2018年，为了使碰撞产物均匀化，一项努力是通过更高的碰撞前转速为原地球提供能量。通过这种管道，来自主体的更多物质将被剥离出来形成月球。进一步的电脑建模确定，观测结果可以通过让前地球天体快速旋转来获得，旋转速度如此之快，以至于它形成了一个新的天体，并被命名为“联合体”（英语：synestia）。这是一种不稳定的状态，可能是由再一次碰撞产生的，以使旋转足够快。对这种瞬态结构的进一步建模表明，作为甜甜圈形状物体旋转的主体（联合体），在它冷却并诞生地球和月球之前，存在了大约一个世纪（很短的时间）[来源请求][29][30]。

陆地岩浆海洋假说

2019年，另一个解释地球和月球组成相似性的模型假设，在地球形成后不久，它仍被岩浆海（英语：Magma ocean）覆盖，而撞击物体很可能由固体物质组成。建模表明，这将导致撞击对岩浆的加热远远超过撞击的固体物体，导致更多的物质从原地球喷出，因此约80%的月球形成碎片来自原地球。而许多先前的模型表明，月球80%来自撞击体[31][32]。

碰撞的证据

巨大撞击场景的间接证据来自阿波罗登月期间收集的岩石，这些岩石显示氧同位素的比率与地球的比率几乎相同。月球地壳的高度斜长岩成分，以及富含克里普矿物样本的存在，表明月球的大部分曾经是熔融的；巨大的撞击场景很容易提供形成这样一个岩浆海洋所需的能量。几条证据表明，如果月球有一个富含铁的核心，那么它一定是一个小核心。特别是，月球的平均密度、惯性矩、旋转特征和磁感应响应都表明，其核心半径小于月球半径的约25%，而其它大多数类地天体的核心半径比约为50%。从碰撞的各种条件可以发现，月球的成分主要来自地球和撞击体的地幔，而撞击体的核心与地球结合，这假设能满足地球-月球系统的角动量分配[33]。地球是太阳系中密度最高的行星[34]；考虑到早期地球和特亚的拟议性质，撞击体核心的吸收解释了这一观测结果。

月球样品的锌同位素组成与地球和火星岩石的同位素组成的比较，为撞击假说提供了进一步的证据[35]。行星岩石中的成分挥发时，锌有着强烈的同位素分馏（英语：Isotope fractionation）[36][37]，但不是在正常的火成过程中[38]，因此，锌的丰度和同位素组成可以区分这两种地质过程。与相应的火成地球或火星岩石相比，月球岩石含有更多的重锌同位素，总体上锌含量更少，这与巨大撞击起源所预期的锌通过蒸发从月球中耗尽一致[35]。

逃离地球引力的喷出物和小行星之间的碰撞会在石质陨石中留下撞击加热特征；基于假设存在这种影响的分析已被用于确定撞击事件的日期为44.7亿年前，与通过其它管道获得的日期一致[39]。

温暖的富含二氧化硅的尘埃和丰富的二氧化硅气体，是岩石体之间高速撞击10千米每秒（6.2英里每秒）的产物，已被斯皮策空间望远镜在附近（距离29pc）的绘架座β移动星群中，年轻的（约1,200万岁）恒星HD 172555周围探测到[40]。昴宿星团中年轻的恒星HD 23514，在0.25AU到2AU之间的区域内有一条暖尘带，这似乎与特亚与胚胎地球碰撞的预测结果相似，并被解释为行星大小的物体相互碰撞的结果[41]。在BD+20°307（HIP 8920，SAO 75016）也有相似的暖尘埃带被检测到[42]。

在2023年11月1日，科学家们报告说，根据电脑模拟，在地球内部仍然可以看到特亚的残余，这是地幔的两个巨大异常[43][44]。

困难点

目前主流的月球起源假说有一些困难尚未解决。例如，大碰撞假说意味着撞击后会形成一个覆盖表面的岩浆海。然而，没有证据表明地球曾经有过这样的岩浆海，而且地球上存在一些从未受岩浆海影响的物质[45]。

结构

需要解决一些组成上不一致的问题。

  • 巨大撞击假说无法解释月球挥发性元素的比例。如果巨大撞击假说是正确的，那么这些比率一定是由其他原因造成的[45]。
  • 如果月球是由高温撞击引起的，那么月球玄武岩中的水和月球表面的碳排放等挥发物的存在就更难解释了[46][47]。
  • 月球的氧化铁（FeO）含量（13%）介于火星（18%）和地球的地幔（8%）之间，排除了大部分原月球物质来自地球地幔的可能性[48]。
  • 如果大部分原月球物质来自撞击体，那么月球应该富含亲铁元素（英语：Goldschmidt classification#Siderophile elements），而事实上，月球缺乏这些元素[49]。
  • 月球的氧同位素比例与地球的基本相同[6]。氧同位素比率可以非常精确地量测，为每个太阳系天体产生唯一而独特的特征[50]。如果存在一颗单独的原行星特亚，它可能会有与地球不同的氧同位素特征，喷出的混合物质也是如此[51]。
  • 月球的钛同位素比率（50Ti/47Ti）看起来离地球如此之近（在4ppm以内），以至于碰撞物体的质量几乎不可能是月球的一部分[52][53]。

欠缺卫星的金星

如果月球是由这样的撞击形成的，那么其它内行星也可能受到类似的撞击。通过这个过程在金星周围形成的卫星不太可能逃脱。如果在那里发生了这样的卫星形成事件，那么金星为什么没有这样的卫星，可能的解释是可能发生了第二次碰撞，抵消了第一次碰撞产生的角动量[54]。另一种可能性是，来自太阳的强大潮汐力往往会破坏近距离行星周围卫星的轨道稳定。因此，如果金星的缓慢自转速度在其历史早期就开始了，任何直径超过几公里的卫星都可能向内盘旋并与金星相撞[55]。

对类地行星形成的混乱时期的模拟表明，像那些被假设形成卫星的撞击是常见的。对于质量为0.5至1地球质量的典型类地行星来说，这种撞击通常会导致单颗卫星的质量仅占宿主行星质量的4%。由此产生的卫星轨道的倾斜是随机的，但这种倾斜会影响系统随后的动态演化。例如，一些轨道可能会导致卫星以螺旋返回行星。同样的，行星与恒星的距离也会影响轨道的演化。净效应是，当撞击产生的卫星围绕更远的类地行星运行并与行星轨道均衡时时，它们更有可能存活下来[56]。

特亚可能的来源

从南极方向看，有一条建议的大碰撞路径（不按比例绘制）。

2004年，普林斯顿大学数学家爱德华·贝尔布鲁诺（英语：Edward Belbruno）和天体物理学家约翰·理查德·戈特（英语：J.Richard Gott III）提出，特亚类似于特洛伊小行星[5]，在相对于地球的{L4}}或{L5}}拉格朗日点处（在大约相同的轨道上，前后大约60°）聚结[57][58]。二维电脑模型表明，当特亚的质量增长至超过地球质量约10%的阈值（火星质量）时，他提议的特洛伊轨道稳定性会受到影响[57]。在这种情况下，星子的引力扰动导致特亚偏离其稳定的拉格朗日位置，随后与原地球的相互作用导致两个天体之间的碰撞[57]。

2008年，有证据表明，碰撞发生的时间可能比公认的45.3亿年前晚，大约为44.8亿年前[59]。2014年的一项电脑模拟与地幔元素丰度量测结果的比较表明，碰撞发生在太阳系形成后约9,500万年[60]。

有人认为，撞击可能还产生了其它重要物体，这些物体可能留在地球和月球之间的轨道上，卡在拉格朗日点和地球之间。这些物体可能在地月系统内停留了1亿年之久，直到其它行星的引力牵引破坏了系统的稳定，才得以释放这些物体[61]。2011年发表的一项研究表明，随后月球与其中一个较小天体之间的碰撞导致了月球两半球物理特征的显著差异[62]。模拟支持，这次碰撞的速度足够低，不会形成陨石坑； 相反的，来自较小天体的物质会在月球上扩散，在月球的背面新增一层厚厚的高地地壳[63]。由此产生的质量不规则性随后会产生重力梯度，导致月球的潮汐锁定。因此，今天从地球上只能看到月球的正面。然而，GRAIL任务绘制的地图已经排除了这种情况[来源请求]。

2019年，明斯特大学的一个团队报告称，地球原始地幔中的钼同位素组成来源于外太阳系，暗示了地球上的水的来源。一种可能的解释是特亚起源于外太阳系[64]。

其它的假说

主条目：月球的起源

在不同时期提出的月球起源的其它机制是，月球是由离心力从地球熔融表面旋转出来的[9]；它是在其它地方形成，随后被地球引力场捕获[65]；或者地球和月球在同一时间、同一地点由同一个吸积盘形成。这些假设都无法解释地月系统的高角动量[20]。

另一种假设将月球的形成归因于一颗大型小行星撞击地球的时间比之前想像的要晚得多，这颗卫星主要是由地球碎片形成的。根据这一假设，月球的形成发生在太阳系形成后的6,000万至1.4亿年（相较于假设的特亚撞击在45.27±0.1亿年前）[66]。在这种情况下，小行星撞击将在地球和原月球上形成一个岩浆海洋，两个物体共亯一个共同的等离子体金属蒸汽大气层。共享的金属蒸气桥将使来自地球和原月球的物质交换并平衡成更常见的成分[67][68]。

还有一种假说认为，月球和地球是一起形成的，而不是由来自遥远处的天体碰撞形成的。该模型于2012年由罗宾·克纳（英语：Robin Canup）发表，表明月球和地球是由两个行星体的大规模碰撞形成的，每个行星体都比火星大，然后它们再次碰撞形成了现在的地球[69][70]。在再次碰撞后，地球被一个物质盘包围，这些物质被吸积形成了月球。这个假设可以解释其它假说不能解释的证据[70]。

月球 – 风暴洋
古代裂谷–矩形结构（可见–地形– GRAIL重力梯度）（2014年10月1日）。
古代裂谷的背景。
古代裂谷的特写（艺术家的概念）。

相关条目

参考资料

注解

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进阶读物

Academic articles

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Non-academic books

外部链接

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