月球起源再一说

悦然心动

45亿年前，原行星忒伊亚（Theia）撞上了地球。忒伊亚当场粉碎，地球也遭受重创。前者的大部分碎屑溅入太空，在地球引力的拉扯下散布于环绕地球的轨道上。碎屑间频繁碰撞、吸积，最终聚合为今日月球的雏形。

　　自上世纪70年代以来，大冲击理论为我们描述的这副图景，已然构成人们对月球起源的科学认知。它在观感层面上“冲击”着人们的想象力，甚至为不少灾难主题的科幻作品提供了灵感来源。

　　然而就在2017年年初，大冲击理论自身也遭受了一次新的冲击。



　　地球如此多娇，引得那忒伊亚竟折腰。这是解释月球形成的经典的大冲击理论。不过，咱们今天要挑战它。图片来源：picphotos.net

　　挑战者名为“多重撞击理论”，由以色列学者拉卢卡·鲁夫（Raluca Rufu）牵头提出。在这套新理论里，忒伊亚活生生变成了“忒伊亚们”，月球也成了“月球们”。等那些“忒伊亚们”挨个撞完地球，地球还要眼睁睁地看着这群小月亮在自己轨道上继续“互相伤害”。

　　科学家创造出这么一副诸月争辉的奇观，显然不是让咱们开脑洞用的。大冲击理论还有一些历史问题没有解决，新理论的真正目的，就是为解决这些历史问题提供一些新的思路。

　　地球挨撞免不了

　　现代科学解释月球成因，为什么非得让地球挨撞才行呢？科学家之所以提出这么疯狂的猜想，是因为照理来说，像地球这种质量不太大的天体，根本没资格拥有月球这样的“奢侈品”。要知道，月球可是太阳系第3大卫星——正常情况下，这么大的卫星只能是质量庞大的巨行星们的“家臣”。像地球这样引力不足的小石头疙瘩，连在自身的赤道面上形成一个规模可观的尘埃盘的能耐都没有，更甭说用引力捕获已然发育成型的过路大天体作为卫星了。

　　然而，硕大的月亮又确确实实地存在于地球的天空之中。不是跟地球一起形成的，也不是靠自身的引力抓来的，那这个月亮到底是怎么来的呢？还可以别人自己撞上来的——这就是所谓的冲击事件。冲击事件的必要之处在于，它能在已然发育成型的岩质星球周围，再提供足量的尘埃物质，作为前者构筑大卫星的基础原料。在太阳系早期动力学行为上，原行星相撞这类事件本身也充分合理，甚至十分常见。

　　不过，以前的假说都认为，这样的撞击只发生了一次。如果只撞过一次，那就会遇到一个问题：在角动量守恒这条雷打不动的物理铁律之下，人们需要让45亿年前的地月系统角动量跟45亿年后的今天大体相等。为了保证这一点，忒伊亚的质量以及它撞击地球的角度就必须得恰到好处才行。

　　天体动力学上的这种妥协，在行星化学上多加了一个镣铐——如果按照算出来的角度侧向相撞，溅出去的碎屑必然大部分来自于忒伊亚。碎屑形成月球之后，其化学组成应该类似忒伊亚，而非地球。

　　在人类还不太清楚月球化学组成的年代，当然可以随意设想，但当阿波罗登月计划的宇航员带着实打实的月球样品回到地球时，人们发现：月球的微量元素和同位素特征居然与地球高度相似（尤其是氧、钛、钨这些元素的同位素配分特征）。换句话说，作为地母盖娅与月母忒伊亚的儿子（咦？），月球身上继承的特点并非来自那个存在于想象中的原行星，而来自于我们脚下实打实的地球。



　　忒伊亚怎么撞我们地球，可是有讲究的，不然咱们今天就没有大月亮可看了。图片来源：museumvictoria.com.au

　　模棱两可的“乌云”

　　为了解决这个矛盾，人们给大冲击理论提供了两个可供选择的“补丁”：一种观点认为，在撞击后的短暂时期内，“案发现场”是一片漫布碎屑的混沌，这片混乱的尘埃云包裹了重伤的地球和所有被撞飞碎片。氧同位素作为挥发成分，可以在这片炽热的尘埃带之间自由迁移，令地月之间同位素配分比例大致相同。但是，这种解释对钛和钨这类重同位素就不太适用了，原因很简单：熔点极高的重金属并没有氧那么容易自由迁移。

　　另一种观点认为，忒伊亚的化学特征原本就跟地球高度相似。一来，反正谁也没见过45亿年前的忒伊亚到底长啥样，存在于模型之中的它，终归是个任人打扮的小姑娘；二来，按照模型假设，忒伊亚和地球孕育于同一个公转轨道。在太阳系尺度下，同一个公转轨道意味着原行星盘的分异特征基本相似。在聚合成原行星时，两者能形成相似的初始化学组成。

　　这个解释看似解决了终极问题，但发展至今的化学动力学发现，很多同位素在岩石系统中的配分行为并不仅仅由初始条件决定。天体形成之后具体而复杂的内动力地质作用，会导致某些同位素在天体之间产生巨大的差异。地球跟忒伊亚形成于同一个轨道，但之后呢？难道连两家的私事儿还得继续同步？动力学上已经限定忒伊亚的个头只能跟火星一般大，在巨大的质量差异面前，基本不可能指望它俩内部化学行为也高度相似。

　　尽管这些补丁并不能驱散围绕在大冲击理论周围的乌云，但这一理论依然闯过了30个年头。动力学上的独到优势，让它稳坐在解释地球早期演化史的宝座上。科学界崇尚“矛盾最少即最优”，冲击事件作为一种“最不坏的选择”，目前确实还没人能够挪得动。

　　既然挪不动，人们的重心就落在怎样让它更好上了。说到底，我们都坐在时光列车的末尾，而真相埋藏在早已驶出我们视野之外的头节车厢。我们唯一能做的，就是根据一声声的笛鸣，来刻画想象中的那个车头的样式。

　　这趟列车就这样驶入了2017年。开年第一站，一大群原行星走上了月台。

　　成群结队的原行星

　　带着这群原行星走上月台的，正是这个名叫“多重撞击”的新理论。在这个理论中，忒伊亚不复存在了，取而代之的是一群更小的原行星，每一颗的质量大概是地球的5-10%。某个时候，第一颗原行星迎面撞向了地球。这不是忒伊亚式的斜向45度角侧撞，而是一次酣畅淋漓的迎面撞击：原行星如弹头般扎进地幔深处，比起“擦了一下腰”的忒伊亚，这场撞击把更多的地球碎屑送上了太空。碎屑形成行星环，在不断的碰撞融合中，慢慢聚集成月球……

　　……不，准确来说，是第一个月球。

　　因为又过了一段时间，第二颗原行星撞了过来。地球的地幔说不定还没愈合（谁知道呢），又被撞个稀巴烂。碎屑再一次溅射出去，再一次形成行星环，再一次聚集成一个月球。现在，地球上空有两个小月亮了。（姑且按天文学家命名的习惯，称之为“地卫一”和“地卫二”好了。）

　　由于之前两次撞击的初始动力学参数不可能完全一致，这俩个小月亮基本不可能恰好处于动力学平衡状态，再加上它们都要受到地球潮汐力的外推作用，“地卫一”和“地卫二”终归会在某一天相撞，在地球自家后院里，上演一次微缩版的“大冲击”。



　　注意啦，这不是土星，也不是木星，这是地球。图片来源：Rufu et al. 2017

　　多重撞击理论认为，这样的过程可能会重复数次，甚至超过20次之多。按这套理论，当时的地球会先有今日土星那样的光环，然后再有木星一家子那样大大小小的仆从一堆。是不是很有趣？然而有趣的星球终会相遇……哦，是被地球潮汐力外推的小月亮们终会相撞。在一系列碰撞中，只留下了一个最终产物，就是咱们今天能在头顶上看到的明月了。

　　比起忒伊亚式的孤星大冲击，这个更热闹的模型，据说能够解决我们上面所提到的那两朵乌云。首先是地球与月球的化学成分对比。鲁夫教授认为，在这种小型天体的迎面撞击下，抛溅物中大部分都是地球物质，这就解释了月球成分与地球成分的相似性，为模型中施撞天体自身的化学组成带来更多灵活调整的空间。而在动力学方面，在这种小天体频繁出现的事件里，既然有不少撞上了地球，那么必然会有更多与地球擦肩而过。这些过路小天体的存在，为地月系统的角动量调整，也同样释放了不少灵活调整的空间。

　　说白了，这套多重撞击模型，其实解放了只有一颗原行星（忒伊亚）撞击地球时，被束缚得死死的那些物理-化学参数。

　　那么跟忒伊亚的大冲击相比，多重撞击是不是更靠谱呢？坦白讲，没人能够评测。说到底，我们唯一确定的，就是实打实能够看到的月亮只有这么一个。真相只有它知道。在人们尚未在月球上取得进一步实际数据之前，争一争也好。说不定将来还会有月球成因的更多理论被人提出。毕竟时间最擅长的事儿，就是把真相冲刷出来。而在这之前，我们要做的，就是去拥抱更多的可能性。