月球形成之謎

周小光

從古至今，懸掛在夜空中的一輪明月，都是人類心目中最親近、最熟悉的天體。關(guān)于月球 ，我們有嫦娥奔月、玉兔搗藥和吳剛伐木的神話傳說;古希臘有月桂女神的故事;古印度人甚至認為月亮代表男性，地球代表女性。然而，這個從人類文明誕生時就陪伴我們的朋友——月球，其形成原因卻一直都是一個謎。雖然科學(xué)家通過種種假說試圖解釋月球形成的原因，但卻總存在各種瑕疵和爭議。2014年以來，最新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)又讓原本最有可能“勝出”的“碰撞假說”出現(xiàn)危機，如今這個千古之謎，變得更加撲朔迷離。

關(guān)于月球形成的不同假說

研究月球的形成，其實也就是研究地球和月球之間的關(guān)系。關(guān)于地月關(guān)系，學(xué)術(shù)界有幾種不同的理論假說，包括共積說、捕獲說、分裂說和碰撞說。

共積說的觀點是，月球和地球同時形成于太陽系的同一物質(zhì)源區(qū)。捕獲說認為月球和地球形成于太陽系不同的區(qū)域，后來在某種情況下，由于地球引力的原因，月球被拉捕到近地軌道。分裂說的理論認為，在地球形成的早期，由于地球的自轉(zhuǎn)速度很高，甩出去一部分地球物質(zhì)，這一部分物質(zhì)碰撞聚合形成了月球。碰撞說則認為，在地球形成的早期，當(dāng)時的地球可能只有現(xiàn)在地球的一半那么大，后被一個火星大小的行星撞擊，撞飛的那一部分物質(zhì)形成了目前的月球 。還有一種碰撞說認為，是兩個大小差不多的星體碰撞聚合形成了地球。

這些假說，各有優(yōu)劣。共積說的問題在于不能解釋地球和月球之間的角速度，以及為什么月球的金屬核占月球的總比重相對于地核占地球的比重要小得多。我們知道，太陽系的行星由內(nèi)向外分為兩大部分，中心是一個主要由金屬組成的內(nèi)核，圍繞著金屬內(nèi)核的是由礦物鹽組成的幔部和表殼。

碰撞說示意圖

捕獲說目前基本上已經(jīng)被學(xué)界放棄，因為完全不能解釋為什么月球和地球的很多同位素組成完全一樣。同位素，顧名思義，就是在元素周期表上占有同一方格位置的物質(zhì)。這些物質(zhì)的質(zhì)子數(shù)相同，而中子數(shù)不同。比如，氧（元素符號是O）這種元素，有3個同位素，16O、17O和18O。在太陽星云的不同位置，16O、17O和18O三者之間的相互比值是不一樣的。在靠近太陽的行星，如金星，溫度比較高，16O的含量就比較少;遠離太陽的行星，比如海王星，16O的含量就要比靠近太陽的行星多。因此，如果月球和地球形成于太陽系的不同區(qū)域，那么它們的氧同位素就會不同。

分裂說不僅不能解釋地月系統(tǒng)的角速度問題，還認為形成月球的物質(zhì)就是從目前太平洋那個“大坑”甩出去的那一部分物質(zhì)。但是，實際上月球上巖石形成的時間要比太平洋形成的時間早得多。月球大約形成于45億年前，而太平洋是在0.07億年前因為岡瓦納古老大陸裂解形成的。

相比較而言，碰撞說能從動力學(xué)角度解釋地月系統(tǒng)的角速度問題，但是不能解釋為什么地球和月球的很多同位素組成完全一樣。如果月球是因為地球被小行星碰撞形成的，那么碰撞過程中爆發(fā)的大量能量必然會導(dǎo)致比較輕的同位素（如16O）逃跑得比較快，而比較重的同位素（如18O）會逃跑得比較慢。如果月球是地球飛濺出來的物質(zhì)形成的話，月球就會比地球含有更少的16O，因此月球的16O/18O的數(shù)值就要比地球的高。

2001年發(fā)表的氧同位素研究發(fā)現(xiàn)，地球和月球的氧同位素組成是一樣的，這一發(fā)現(xiàn)直接挑戰(zhàn)了碰撞說。由于科學(xué)界對碰撞說“情有獨鐘”以及科學(xué)家們固有的嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，人們嘗試了各種方法挽救碰撞說。一種挽救的說法是，碰撞后飛濺出來的物質(zhì)其實形成了一個圍繞地球的熔融星盤（這個熔融星盤最后形成了月球），這個熔融星盤和地球之間發(fā)生氧同位素溝通互動，最后導(dǎo)致地球和月球的氧同位素達到了一致。另外一種挽救的說法是，氧是極其容易揮發(fā)的元素，即便是在行星大碰撞過程中發(fā)生了16O的逃逸，當(dāng)時的觀測精儀器也測不出月球和地球的16O/18O數(shù)值有什么不同。

十幾年以后，也就是2014年，科學(xué)家們改進了儀器和測定16O/18O的方法，發(fā)現(xiàn)月球和地球的氧同位素數(shù)據(jù)確實略有不同。但是，這種差異是什么原因造成的，在科學(xué)界卻有不同的看法。有人認為月球和地球之間的氧同位素差異，可能是當(dāng)時撞擊地球的那顆小行星的特征。還有人認為后期增積假說也能造成月球和地球的氧同位素不同。后期增積假說指的是在地球被撞、月球形成之后，還有后續(xù)的大量的隕石掉到地球上。這個后期增積的隕石量大概占到地球總質(zhì)量的0.5%。

分裂說示意圖

鎢同位素帶來新的“危機”

如果說用氧這種揮發(fā)性很強的元素不能解決月球的形成問題，那么什么元素可以用來解決這一問題呢？答案是：不揮發(fā)元素。如果以一種不揮發(fā)元素為標準，月球和地球的這種元素的組成就應(yīng)該是一樣的。鎢就是這樣一種元素，它在高溫條件下也不揮發(fā)，比如電燈泡里面的燈絲就是用鎢做成的。但是對月球來說，事情并沒有想象的這么簡單。

2015年《自然》雜志上同期發(fā)表了兩篇關(guān)于月球鎢同位素（187W/188W）的文章，均證實月球的鎢同位素組成和地球不一樣。這一發(fā)現(xiàn)讓碰撞說雪上加霜。但是，和解釋氧同位素一樣，人們也嘗試用后期增積假說來挽救碰撞說。因為月球形成以后，如果給地球加入一定量的隕石物質(zhì)之后，比如加入占地球總重量0.5%的隕石物質(zhì)，確實能導(dǎo)致地球和月球的鎢同位素組成不同。當(dāng)然，月球在形成以后也接受了一些隕石物質(zhì)，但是因為地球比月球大得多，所以地球接收到的隕石物質(zhì)要比月球多得多。不過這一解釋，并未獲得完全認可。

月球形成的諸多理論，在層層檢驗過程中，已經(jīng)只剩下碰撞說，如今碰撞說也遇到了危機。但危機并不意味著“天塌地陷”，危機歷來都是新生的母體?？茖W(xué)就是這樣一步一步前進的，通過不斷改變儀器設(shè)備，不斷開發(fā)新的測試分析技術(shù)，對已有的理論提出質(zhì)疑。比如，在美國阿波羅登月計劃之前，人們對月球形成的任何說法都只能屬于猜想。如果沒有阿波羅計劃從月球上采集的樣品，人們怎么知道月球的年齡要比太平洋大得多，從而證明分裂說是錯誤的？如果沒有計算機的發(fā)明，人們怎么能通過計算機模擬來分辨哪個假說是相對可靠的？如果沒有高精度質(zhì)譜儀的發(fā)明，人們怎么能準確測定月球和地球的同位素組成，從而質(zhì)疑碰撞說？

科學(xué)沒有“一蹴而就”的本事，干不出“畢其功于一役”的事情來，就算是愛因斯坦的廣義相對論也仍然處于不斷地修改和完善中?？茖W(xué)只能一步步去偽存真，一步步逼近真實，通過不斷地檢驗，最終知道什么是最可靠的。

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為什么“嫦娥計劃”值得關(guān)注？

目前關(guān)于月球的研究有一個巨大的缺陷，那就是不僅大部分月球樣品 （總重量只有400千克左右）都是美國航空航天局的阿波羅計劃采自月球靠近地球的一面，而且采樣點又局限在幾個大的月球表面的隕石撞擊坑周邊，沒有一件樣品采自月球遠離地球的一面。那些掉到地球上的月球隕石，風(fēng)化蝕變太嚴重，不能用來解決科學(xué)問題?；蛟S，目前所采集到的月球樣品不能代表月球本身。這也正是我國嫦娥計劃必須進行的原因，也是為什么嫦娥計劃得到了全球科學(xué)家關(guān)注的主要原因。如果我國未來的嫦娥計劃能夠采到月球遠離地球一面的樣品，必定能夠在很大程度上解決月球樣品的代表性問題，能夠解決月球的形成這一困擾了人類幾千年的謎題。

【責(zé)任編輯】張小萌