大碰撞说

天文学术语

“大碰撞说”认为，45亿年前，地球受到一个火星大小的天体撞击，炽热的碎片最终形成了月球。

简介

大碰撞假说是科学界现在最主流的月球诞生理论，认为月球是在地球被一颗像火星般大小的天体忒伊亚（Theia）碰撞后才形成的。

来源

这个假说最早于1975年发表在《伊卡路斯》（Icarus，太阳系研究期刊）期刊上，是哈特曼（William K. Hartmann）和达韦斯（Donald R. Davis）两位博士发表的文章。依据这个假说，在45亿3千3百万年前，就在地球形成后不久，一颗火星大小的小行星以某个倾斜角撞击到地球。撞击毁灭了这颗原行星，并且将地球的一部分，主要是地幔，抛射入太空中。依据这种理论进行的电脑模拟，估计只有2%的原行星物质被抛入太空，进入环绕地球的圆形轨道中，而其中又只有一半在碰撞后的一百年间成为构成月球的原料。无论撞击前的原始地球是如何倾斜和自转，碰撞后的地球一天约为五个小时，并且赤道与撞击后的月球轨道面是一致的。

这是近年来关于月球成因的新假设。1986年3月20日，在休士顿约翰逊空间中心召开的月亮和行星讨论会上，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的本兹、斯莱特里和哈佛大学史密斯天体物理中心的卡梅伦共同提出了大碰撞假设。这一假设认为，太阳系演化早期，在星际空间曾形成大量的“星子”，星子通过互相碰撞、吸积而长大。星子合并形成一个原始地球，同时也形成了一个相当于地球质量0.14倍的天体。这两个天体在各自演化过程中，分别形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐构成的幔和壳。由于这两个天体相距不远，因此相遇的机会就很大。一次偶然的机会，那个小的天体以每秒5千米左右的速度撞向地球。剧烈的碰撞不仅改变了地球的运动状态，使地轴倾斜，而且还使那个小的天体被撞击破裂，硅酸盐壳和幔受热蒸发，膨胀的气体以及大的速度携带大量粉碎了的尘埃飞离地球。这些飞离地球的物质，主要有碰撞体的幔组成，也有少部分地球上的物质，比例大致为0.85:0.15。在撞击体破裂时与幔分离的金属核，因受膨胀飞离的气体所阻而减速，大约在4小时内被吸积到地球上。飞离地球的气体和尘埃，并没有完全脱离地球的引力控制，他们通过相互吸积而结合起来，形成全部熔融的月球，或者是先形成几个分离的小月球，在逐渐吸积形成一个部分熔融的大月球。

碰撞的证据

撞击的证据来自阿波罗计划带回来的月球岩石，其中所含的氧同位素组成比例与地球的地幔几乎完全一样。化学元素的检查发现月球岩石几乎不含挥发性的元素和轻元素，因而被推断是在极端高温与异常的高热下形成，使这些元素都气化而逃逸了。放置在月球上的测震仪测出月球的铁镍核心，比其他形成理论（例如孪生说）预测的都要小。如此小的核心与大碰撞假说是吻合的，因为这个理论认为月球主要由地球被撞击出的地幔和撞击体的部分地幔组成的，其中并未包含撞击体的核心。（撞击体的核心下沉与地球的核心合并，成为现在的地球核心。）

这个产生月球的撞击过程非常不可思议：一颗火星大小的天体以十分巧妙（恰恰好）的角度撞击原始的地球，既避免将地球完全的毁灭，又能产生大小和轨道都适当的月球，使地球自转轴的进动能够稳定下来。同时，它也稳定了地球的气候，使地球的环境更适合生命的发展。这种撞击成型事件的偶发性，被用来解释在宇宙中生命是非常罕见的（费米悖论）：这种事件的罕见性说明同地球相似气候的罕见性，进一步说明人类存在的罕见性。这种想法是另一个论述——地球殊异假说（Rare Earth hypothesis）的支柱。然而，在2004年发表的一篇论文中，Edward Belbruno和Richard Gott III认为在地球和太阳的拉格朗日点L4或L5上的天体会因为漂移而进入处于浑沌的碰撞轨道上，然后以适当的低速撞击到地球。这种机制使得撞击的可能性显著的增加。

坎诺普（Robin Canup）在2005年发表的模拟工作表明，冥王星和他的大卫星查龙可能也是在45亿年前相似的大撞击下诞生的。坎诺普推测，其他直径在1,600至2,000公里的柯伊伯带天体以每秒钟一公里的速度撞击行星形成月球的事件，在太阳系形成的早期可能是很普遍的现象。

疑点

即使是月球起源的主流理论，仍然有些难以解释的事项。这些疑惑如下：

在月球地幔中的震波速度，在下层和中层都与熔化的上层一致。

月球的挥发性元素并未如大撞击说预期的完全被耗尽。

没有证据证明地球曾有过岩浆的海洋。（大碰撞假说的一个可能的结果）

由月球和地球的钨与铅的同位素结构测量，撞击前的地球只需要有现在地球质量一半左右的大小，就能合理的分配角动量，得到与现在测量值一致的结果。

在月海的玄武岩中异源同位素的丰度排除了早期的岩浆海有强烈的对流的可能性。

氧化铁（FeO）在整体月球的物质中含量高达13%，排除了原始月球全由地球的地幔生成的可能，因为其在地幔中占的比例远低于此。

如果原始月球的材料大多来自撞击体，月球应该有更丰富的亲铁元素，但实际上却缺少这些元素。

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