地球可能有过两个月亮？两个天体"温柔"碰撞变成一个

北京时间7月22日消息，据国外媒体报道，半个多世纪以来，月球一直在“嘲笑着”科学界最优秀的头脑，对行星科学家埃里克·阿斯普豪格（Erik Asphaug）来说，他已经“受够了”。

在阿斯普豪格出生三年前的1959年10月7日，苏联的“月球3号”（Luna 3）探测器飞过月球背面，拍下了一系列有颗粒感但特征明显的照片，并用无线电将它们传回地球。由于月球的自转与其公转完全同步，因此一个半球总是指向地球，而另一个半球总是无法看见。在月球3号首次拍摄到的月球背面图像中，可以看到一大片高低不平的淡灰色高地，这与月球另一面那些引人遐想的明暗区域完全不同，不是行星科学家的普通人也能看出这种奇怪的差异，“我记得当我还是小孩的时候，看到一个新闻节目展示了月球的远端，我觉得难以置信，一颗行星的两端居然会如此不同，”阿斯普豪格说。

▲原始月球是否曾经和另一颗地球卫星发生过碰撞，形成了我们今天所见到的月球？

2010年，已经是加州大学圣克鲁斯分校地球和行星科学教授的阿斯普豪格参加了一个研讨会，此时他仍然在等待对月球强烈不对称现象的解释。当同事伊恩•加里克-贝瑟尔陈述他提出的答案时，他一边听着，一边越来越坐立不安。在这一最新的理论中，数十亿年前，地球的引力在月球上引发了强大的潮汐，而当时月球还很年轻，处于熔融状态。潮汐导致的隆起随后冻结在原地，形成了更厚的地壳和月球背面独特的地质构造。阿斯普豪格现在觉得这个观点其实讲不通，他表示，就像地球上涨潮时一样，在远端和近端都会出现隆起，但这个理论只提到了远端的隆起，“所以答案一定是发生了奇迹，把另一面的隆起消除了，这使得问题比以前更加复杂。”

在感到恼火的同时，阿斯普豪格也受到了启发。多年来，他一直致力于建立早期太阳系低速撞击的模型。“人们一直有偏见，在关注撞击时只考虑超高速事件，”他说，“人们忘记了物体可以以较低的速度撞击。”这类事件是建设性的，而不是破坏性的：如果两个物体碰撞得足够慢，它们就会碰撞并粘在一起，“就像往房子的墙上扔泥巴，或者互相扔雪球”。阿斯普豪格一直认为这种低速撞击可以解释彗星的形成，突然间，他意识到自己可能找到了解答月球问题的答案，他找来博士后研究者马丁·朱兹，阐述了自己的想法。如果地球最初有两个月亮，只是后来合并成了我们现在所知道的这个月亮，那意味着什么？

“那次研讨会一结束，我们就去了实验室，马丁给受到另一个月亮撞击的月球进行了编码，”阿斯普豪格说道。这些计算的结果是为月球的不对称性提供了新的解释。在阿斯普豪格看来，杂乱的月球高地是另一颗地球卫星的残骸，它曾经环绕地球，最终附着在月球表面。难怪地球的另一边看起来就像是另一个完全不同的世界。新模型提供了对月球古代起源和现代外观的综合描述，但对阿斯普豪格来说，这个概念不止于此；它展示了行星形成过程中一个更广泛、但在很大程度上被忽视的过程：两个天体的“温柔”碰撞。

月球裂变说和大碰撞说

月球是如何形成的：模拟的原始月球和另一颗地球卫星之间的碰撞显示，碰撞后二者质量嵌合在一起，产生了不对称的半球。浅蓝色表示月球地壳、深蓝色为月球地幔，黄色为一层上地幔物质，代表了熔岩组成的“海洋”。另一颗卫星的大部分都以薄层堆积起来，形成了类似月球背面高地的山区。

和大多数科学理论一样，阿斯普豪格的大碰撞模型也是建立在先前研究的基础之上。事实上，关于月球起源的第一个真正科学的描述也是围绕两个星球之间的相互作用展开的，但它设想的是分离而非连结。1878年，查尔斯·达尔文的儿子乔治·达尔文提出，月球是从快速旋转的新生地球上抛出的，就像一个任性的孩子从旋转木马上摔下来一样。他推测，地球上缺失的那块区域应该就是太平洋盆地。

这个“月球裂变”说存在了很长时间，在阿波罗登月之前都很流行。但从动力学的角度来看，这种说法是不成立的。没有一种合理的方法能让地球旋转得足够快，以至于甩掉部分地表；即使有，也没有办法吸收足够的角动量来匹配地球和月球目前的物理状态。至于太平洋，则只是一个暂时性的特征，只与大陆的现代排列有关，大约44亿年前，当月球形成时，太平洋还不存在（当然，乔治·达尔文的理论比板块构造的概念早了近90年）。

其他关于月球起源的故事接踵而至，每一个故事都假定了地球和月球之间不同的关系，但又都有其致命的缺陷。美国天文学家汤玛斯·杰弗逊·杰克逊·希提出，月球是作为一颗独立的行星形成的，然后被地球捕获进入轨道，该理论的缺点是，地球的引力还不够强大，不足以设下陷阱。其他一些研究人员，如法国数学家爱德华·罗奇认为，在太阳系早期，月球和地球是接合在一起的，该理论的缺点是，当地球化学家研究阿波罗宇航员带回的382公斤重的月岩时，他们发现月球的整体成分与地球不同，缺少容易蒸发的化合物，即挥发物，曾经并合的世界应该更加接近才对。

然而，在许多其他方面，月球的化学成分又与地球非常相似。月球岩石中两种不同类型氧元素的比例与地球岩石几乎完全吻合。氧元素的比例就像一个身份标签，能告诉你某个物体是在哪里形成的。陨石有自己的比例，火星也有自己的比例，而从氧元素比例上看，月球就像是地球的孪生兄弟，因此可以说，月球和地球一点也不像，但是又像极了地球，另一方面，月球两端的不对称是又一个亟待解释的微妙问题。

行星科学家分析了所有错综复杂的证据，在1975年发表的两篇开创性论文的启发下，形成了一种新的月球起源理论——大碰撞说（Giant Impact theory）。在这个模型中，地球诞生时并没有月球，地球在形成后不久，就与一个火星大小的天体猛烈碰撞，这个天体通常被称为忒伊亚（Theia，希腊神话中月亮女神塞勒涅的母亲）。撞击使忒伊亚和地球外层的大部分一起蒸发，一些物质被抛到太空深处，但大部分物质在“受伤”的地球周围形成了一个圆盘。在很短的时间内（也许只有十年），这圈环绕地球轨道的物质凝结成了月球。

大碰撞说轻松地解释了地-月系统的大部分化学和动力学特性，尽管仍然存在不确定性，但该理论几乎被普遍认为是对月球起源的最佳解释，但是，大碰撞说并没有回答摆在我们面前的一个无法忽视的重大问题：为什么月球会呈现今天这个样子？

月球的不对称性

我们眼中月球表面的阴暗部分其实是由冻结熔岩组成的巨大平原，称为“玛丽亚”（maria，拉丁文中的“海”，17世纪的天文学家伽利略以此来称呼月表的低地），由于某种原因，几乎所有的玛丽亚地形都在月球近地一端，更普遍地说，早期月球在面对地球的半球上的火山活动要活跃得多。美国国家航空航天局的“重力回溯及内部结构实验室”（Gravity Recovery and Interior Laboratory，简称GRAIL）任务测量了月球地壳，证实月球背对地球的一侧更厚；该任务还发现，月球近地（而且只有近地）半球存在一个由长线状埋藏特征组成的网络，行星地质学家将其解释为火山岩脉，答案似乎显而易见，所有这些不平衡都是地球引力造成的，但在物理上没有可信的方法来证明这种联系。

长期以来，人们一直试图解释这种不对称性。不断有想法被提出，在讨论一段时间之后，结果往往不令人满意，更常见的情况是，人们完全将这个问题抛到一边。2013年秋天，加州理工学院的戴维·史蒂文森在英国皇家学会联合主办了一场关于月球如何形成的大型会议，他对许多同事对这一问题的回避感到好笑，“房间里有一头大象，但人们似乎忽视了它，反而看着角落里的那只猫”。

在很多方面，阿斯普豪格的新模型是对月球形成的主流观点的有机延伸——事实上，是对当前关于行星如何形成的整个思考的有机延伸。新生的太阳系从45亿年前开始，从尘埃到岩石，从小行星到行星，都在一个围绕新生太阳旋转的圆盘内逐渐形成，从对陨石的分析，到对其他新生恒星周围类似圆盘的观察，结果都很好地证明了这一点。当行星聚集在一起时，越来越大的物体不得不相互撞击，阿斯普豪格指出，其中一些碰撞必须足够轻微，才能让两个天体粘在一起，形成一个更大的天体，否则，行星就会停止生长，我们的太阳系就会变成一片破碎的废墟。

阿斯普豪格的职业生涯一直在探索这种碰撞过程的微妙之处，多年来，他对主流的大碰撞模型做出了重大贡献，帮助改进了忒伊亚作为一个火星大小的闯入者与地球撞击的过程，他说，在这个过程中，“我意识到，吸积并不完美，而且很复杂”，他开始对他所谓的“近乎吸积”（almost-accretion）事件——即两颗行星不完全碰撞的事件——感兴趣；认为这次巨大的撞击只是一系列可能发生的碰撞中的一个例子，最终这两颗行星都完好无损地存活了下来。

“在到达行星科学知识的极限之前，你需要做的事情是多么少，它不像物理学，你必须梳理400年的历史才能找到一个新颖的、尚未解决的问题，”阿斯普豪格说，“在行星科学中，有很多基本问题都没有好的答案。你开始说，‘你是这么想的？真的吗？好吧，我也有个想法。’”

两个月亮？

在会议室里的顿悟让阿斯普豪格想到了大碰撞之后发生了什么。行星科学家通常认为碰撞之后只出现了一颗卫星，但这并不是唯一的可能性，阿斯普豪格认为出现两颗卫星的观点与他为彗星建立的计算机模型完全吻合。“我们存在分歧。这像是某种巧合”。

哈佛大学的天文学家马提亚·库克（Matija Cuk）已经推测出第二个月亮可能来自哪里。他指出，当大碰撞产生一个巨大的、围绕地球旋转的气化岩石环时，在同一轨道上有两个稳定点，分别位于月球前方60度和后方60度，这些稳定点就像引力潮汐池，平静的地方可能会形成第二个较小的天体。库克没有给这颗卫星起名字，但是为了表述清楚起见，这里将它命名为恩底弥翁（Endymion），以希腊神话中月之女神塞勒涅的情人命名。

起初，月球和恩底弥翁和平共处，但随着时间的推移，事情发生了变化。引力的相互作用导致主月球螺旋形远离地球，改变了整个系统的动力学，恩底弥翁的位置不再稳定，最终倒在了“爱人”的怀里，库克认为，恩底弥翁最终分裂，像小行星雨一样落在月球上，阿斯普豪格看到的另一种完全不同的可能性。

当物体在同一轨道上运行时，它们相互撞击的速度非常慢，大约相当于物体下落的速度，因此不会造成冲击或形成大量熔融物，与其说这是一次巨大的撞击，不如说这是一次宇宙滑坡。这应该是你能想象到的最大的滑坡之一。在后期阶段，恩底弥翁的残骸将以每秒数百米的速度下落，这一速度仅是最初导致这一过程发生的巨大撞击速度的百分之一。

如果你计算一下，你会发现撞击的地方会有一个隆起；这是一种由密度稍低的物质构成的增厚地壳，在阿斯普豪格的模型中，隆起的形状与月球远端地壳的实际形状相吻合，他估计，恩底弥翁需要大约1000公里的宽度才能解释额外的地壳质量；这是一个合理的大小，大约是现代月球直径的四分之一，这样一个小天体会在1亿年内冷却成固体岩石，这个年龄也大约是恩底弥翁变得不稳定的时期，当它碎裂后落在月球表面时，就会形成一个半球形的碎石场，正好可以解释月球远端较厚的地壳。

大碰撞还有其他有趣的结果。所有落在月球一个半球上的岩石重量会压缩富含放射性元素的熔融物质，迫使其向另一个半球移动，因此它不仅造成了地壳不对称，还造成了热不对称。月球一侧的热量集中也可能导致它的膨胀，形成GRAIL探测器看到的岩脉，于是，月球远端的厚地壳，近端的火山活动，以及神秘的月球岩脉，都可以用一次性解释清楚。

阿斯普豪格不太相信大碰撞能完全解释月球惊人的不对称性——阴暗部分集中在月球的近侧，他承认这有点牵强，因为形成月球玛丽亚地形的熔岩流爆发时间要晚得多，大约在月球形成10亿年之后，但是，通过解释月球远端的地壳更厚，近端的内热更大，他的模型至少为分析熔岩在两个半球的分布不均建立了合适的条件。

阿斯普豪格的观点很有说服力。虽然大碰撞不能解释月球所有异常的不平衡现象，但确实解释了其中的大部分，不过，阿斯普豪格的观点迄今得到的反应并不热烈，不是一个月亮，而是两个？天体的撞击会导致滑坡而不是灾难？

普渡大学资深行星科学家、GRAIL团队成员杰伊·梅洛什提出了一个问题，即月球地壳的密度在近端和远端是一样的，这如何解释？恩底弥翁的密度很可能与月球表面的密度相同，但缺乏多样性“至少让阿斯普豪格的大碰撞模型更难维持”。像库克这样的动力学专家更支持这个模型。然而，主要的批评并不是没有任何证据来反驳大碰撞说——实际上确实没有——而是没有足够的证据来支持它。

阿斯普豪格对此感同身受。“可以说我们的假说能解释很多事情，但相对来说，这是无法检验的，”他说，“我们现在急需数据。”一个方法是在月球上建立地震台网，这样就有可能阅读由月球内部结构记录的完整历史。无论大碰撞（如果发生过的话）期间以及碰撞之后发生了什么，一定会在月球内部留下了深刻的印记。美国国家航空航天局发射的洞察号（InSight）探测器于2018年降落在火星，这是一个为火星建立的高精度地震观测站，然而，每一个向月球发射类似任务的提议都被否决了。

幸运的是，行星科学家还有另一些方法——一整套方法——来测试阿斯普豪格的模型，并了解行星和卫星如何形成和演化，“近乎吸积”事件的证据可能就在我们周围。彗星可以保存古老的碰撞事件遗迹。冥王星和它的大型卫星卡戎（Charon）很可能就是在一次大型撞击中形成的，类似于形成月球的那次碰撞，新视野号飞船在2015年近距离飞掠了冥王星，火星具有独特的南北不对称，洞察号探测器的工作将有助于调查火星是否也受到了撞击。

土星复杂的卫星系统可能是多重撞击和合并的结果，水星在形成过程中曾遭受过一次或多次撞击，这解释了金星富含铁的高密度结构，以及它炙热的地壳中不太可能存在水的原因。

月球带给人类的终极启发是，行星的形成既草率又富有创造性，而且千差万别，而有了现代计算机代码，我们可以探索非常大的参数空间，这其中乐趣无穷。

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