月球形成于一场意外？来自月球样品的证据

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月球是地球唯一的天然卫星[1]，平均半径有地球的27.3% 约1737 km，但质量只有地球的1.23%[2]，是太阳系第5大卫星。

作为夜晚能观测到的最显著天体，自古以来就有不同领域的学者对月球进行相关描述、记载及研究。

文人墨客基于对月相的观测和思考，以月球为灵感创作了今人不见古时月，今月曾经照古人、人有悲欢离合，月有阴晴圆缺等蕴含自然哲理的诗句。

古代天文学家石申 公元前4世纪，战国中期魏国人早在两千多年前揭示了月食现象的本质[3]，即为天体相互遮掩，而非天狗食月，为此国际天文学联合会 International Astronomical Union, IAU将月球背面北极圈附近一处环形山 大型的陨石撞击坑命名为石申环形山 Shi Shen Crater，象征着数千年来人类对月球从未停止的探索和认知。

从古人对星空的仰望，到现代空间科学的深入研究，我们对行星、星系和黑暗宇宙的好奇心一直驱使着我们迈向未知的旅程。

月球的起源？

旧观点与新认知

历史上，月球的起源有许多争议。

过去的假说观点受限于当时的科技水平，没有充分的证据去论证，人们对月球的认知存在一定局限和缺陷。

例如，著名生物学家达尔文的儿子——乔治·达尔文 George H. Darwin曾认为，月球是由早期熔融态的地球自转甩出来的，但研究表明，原始地球并不具备使物质分离的角速度。

此外，有人认为月球是被地球引力捕获而来的，这一假说也存在缺陷，因为原始地球没有能使月球接近时缓速以捕获它的条件 至少需要有更大、更厚的大气层，更强的引力场。

还有人认为月球和地球是同时从太阳星云凝聚形成的，但这一假说无法解释地球和月球之间铁元素含量的差异，即同一物质来源的天体，不应有目前所观测到的地球铁元素含量较高，而月球较低的现象。

直到20世纪60年代末，美国阿波罗11号任务 Apollo 11载人登月并成功采样，标志着行星科学进入物质组成和物理化学性质的直接研究时期。

科学家们基于一系列美国阿波罗月球样品、前苏联月球号样品的成分分析研究，认为月球是地球受行星撞击所溅出的碎片凝聚而形成的。

这样的大碰撞说 giant impact hypothesis成为月球形成的主流观点。

地球的意外之财

约45亿年前，太阳系形成之初。

一颗约火星大小 半径~3000 km, 地球的一半的远古行星——忒伊亚 Theia，偏离了自身轨道，以约45°倾角、较高的初始速度 但小于4 km/s与原始地球发生正面碰撞。

忒伊亚 Theia与原始地球 Proto-Earth撞击示意图 改编自NASA及Canup

大碰撞导致忒伊亚直接破碎，一部分碎片沉入地幔深部，另一部分碎片与溅出的地球物质一同散布在环地球轨道上。

大碰撞的动能大部分转化为热能，产生了极高温，行星碎片变为熔岩和气态硅酸盐。

随着时间的推移，环地球轨道洛希极限 Roche limit, 简单来说是卫星稳定存在的最近距离以内的物质逐渐回归地球，洛希极限外的熔岩和硅酸盐气体等物质相互碰撞，慢慢凝聚形成了原始月球，这颗地球唯一的天然卫星。

地球 蓝和忒伊亚 黑的碰撞轨迹模拟动画 据Dart evader~commonswiki

其中，L4代表拉格朗日点，黄色球体为太阳，碰撞后红色代表碎片，墨绿色球体为月球。

大碰撞的余晖

根据大碰撞说，原始月球凝聚过程中，高温状态会持续存在，月球表面呈数百公里深的全球性熔融态——岩浆洋 LMO, the Lunar Magma Ocean。

在后来的几亿年内，高温状态的岩浆洋逐渐冷却，凝结出一种低密度的灰白色岩石——斜长岩，漂浮在月球表面，形成灰白色的月壳。

反之，密度大的部分沉入月球深处，形成月核及月幔。

早期的恒星系统并不稳定，动荡的太阳系有许多陨石不断撞击各行星。

如著名的晚期重轰击 LHB, Late Heavy Bombardment, Picard, Fahrenheit等轰击事件。

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