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月球是如何形成的？

當(dāng)前最為主流的假說(shuō)為“大碰撞假說(shuō)”。

大約 45 億年前，一顆火星般大小的天體 Theia 撞擊了年輕的地球，將地球的一部分（主要是地幔）拋射入了宇宙中，從而產(chǎn)生了月球。

圖｜Theia 撞擊地球。（來(lái)源：維基百科）

此前支持“大碰撞假說(shuō)”的證據(jù)，來(lái)自由阿波羅計(jì)劃（Project Apollo）帶回來(lái)的月球巖石，其所含的氧同位素組成比例與地球地幔幾乎完全一樣。

如今，科學(xué)家們又有了新線索，進(jìn)一步支持了有關(guān)月球形成的“大碰撞假說(shuō)”。

在一項(xiàng)最新研究中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）的地球化學(xué)家、宇宙化學(xué)家和巖石學(xué)家，在月球隕石中發(fā)現(xiàn)了來(lái)自地球地幔的稀有氣體（也稱(chēng)惰性氣體）——氦（Helium）和氖（Neon）。

相關(guān)研究論文以“Indigenous noble gases in the Moon’s interior”為題，已發(fā)表在權(quán)威科學(xué)期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

（來(lái)源：Science Advances）

4 種假說(shuō)

關(guān)于月球的起源，除了“大碰撞假說(shuō)”之外，科學(xué)家們還先后提出了“捕獲假說(shuō)”“同源假說(shuō)”“分裂假說(shuō)”，但都存在一定的理論缺陷。

在“捕獲假說(shuō)”中，科學(xué)家們認(rèn)為，月球是太陽(yáng)系早期形成的眾多宇宙天體之一，它也像其他天體一樣漂浮在軌道上，直到有一天，由于被地球的引力吸引而脫離了原來(lái)的軌道，成為了地球唯一的天然衛(wèi)星。

但是，要想這一假說(shuō)成立，需要地球擁有一個(gè)有非常大的大氣層來(lái)消耗月球通過(guò)時(shí)的能量，以減緩月球運(yùn)動(dòng)速度。

而“同源假說(shuō)”則講述了另一個(gè)不同的故事，即地球和月球形成于同一原生吸積盤(pán)。

但這一假說(shuō)無(wú)法解釋月球上金屬鐵的匱乏，也不能解釋地月系統(tǒng)的高角動(dòng)量。

“分裂假說(shuō)”也存在一定的理論缺陷，該假說(shuō)認(rèn)為，地球由于自身的快速自轉(zhuǎn)而斷裂，破碎部分則變成了月球。

但是，要產(chǎn)生如此大的離心力，需要地球在誕生初始時(shí)就具有超高速的自轉(zhuǎn)。

而在“大碰撞假說(shuō)”中，科學(xué)家們認(rèn)為，在太陽(yáng)系誕生的早期，巨大的撞擊是很常見(jiàn)的。由電腦模擬的大碰撞模型表明，這樣的撞擊后產(chǎn)生的雙星系統(tǒng)具有充分的角動(dòng)量匹配目前地月系統(tǒng)的軌道參數(shù)，而且也可以解釋月球具有相對(duì)較小核心的原因。

圖｜關(guān)于“大碰撞假說(shuō)”的簡(jiǎn)易描述。（來(lái)源：維基百科）

此外，這一假說(shuō)還可以合理解釋地月成分的不同：月球的大部分組成成分都來(lái)自撞擊前的天體，而并不是原生的地球。

但是，這個(gè)假說(shuō)仍然不是很完善。例如，有關(guān)隕石的研究顯示，火星、灶神星等其他內(nèi)太陽(yáng)系天體的氧和鎢同位素成分與地球不同，而地球和月球卻有著非常相似的同位素成分。

一個(gè)合理的解釋是，導(dǎo)致地月系形成的撞擊混合了地球和月球形成時(shí)揮發(fā)的物質(zhì)，有可能導(dǎo)致兩個(gè)天體之間同位素的組成變得均衡，但這種解釋也依然存在爭(zhēng)議。

盡管“大碰撞假說(shuō)”不是很完美，但或許是當(dāng)前有關(guān)月球形成的論據(jù)最充分的解釋?zhuān)磥?lái)也需要更多的證據(jù)來(lái)支撐。

新證據(jù)支持“大碰撞假說(shuō)”

稀有氣體，是指在元素周期表中同屬第 18 族的元素。它們性質(zhì)相似，在常溫常壓下都是無(wú)色無(wú)味的單原子氣體，很難進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。天然存在的稀有氣體共有 6 種，即氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）和氡（Rn）。

稀有氣體在工業(yè)方面主要應(yīng)用為照明設(shè)備、焊接和太空探測(cè)等。例如，氬和氮的混合氣體是白熾燈中填充的保護(hù)氣；氪由于可以降低燈絲的蒸發(fā)率而常用于色溫和效率更高性能白熾燈；在放電燈中填充不同的稀有氣體，可以產(chǎn)生不同顏色的光，比如霓虹燈中常見(jiàn)的氖燈。

在此次工作中，研究團(tuán)隊(duì)利用稀有氣體質(zhì)譜儀，測(cè)量了隕石樣本中亞毫米級(jí)的玻璃顆粒（在玄武巖冷卻時(shí)形成），排除了太陽(yáng)風(fēng)作為探測(cè)到的氣體的來(lái)源。

論文的第一作者和通訊作者 Patrizia Will 分析了來(lái)自南極收集的 6 個(gè)月球隕石樣本，這些樣本是由 NASA 在南極洲的“冷沙漠”中采集的，其形成原因可以推測(cè)為：由于沒(méi)有大氣層的保護(hù)，月球表面不斷遭到小行星撞擊，一次高能撞擊使得巖石碎片從熔巖流的中間層噴出，最終以隕石的形式來(lái)到了地球。

這些隕石由玄武巖組成，玄武巖是月球內(nèi)部巖漿涌出并迅速冷卻時(shí)形成的，由于在形成后被其他玄武巖層覆蓋，避免了來(lái)自宇宙射線尤其是太陽(yáng)風(fēng)的傷害。

結(jié)果顯示，玻璃顆粒保留了太陽(yáng)氣體的化學(xué)指紋（同位素特征）：月球內(nèi)部的氦和氖，而且檢測(cè)到的氦和氖的含量比預(yù)期的要高得多。

圖｜交叉偏振光下的 LAP 02436 樣品薄片。（來(lái)源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）

這一發(fā)現(xiàn)有力地支持了月球“繼承”了地球天然存在的稀有氣體。“這是一個(gè)令人興奮的結(jié)果，而這些玄武巖材料與月球表面的任何暴露都無(wú)關(guān)。” Will 說(shuō)。

對(duì)此，論文作者之一、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院教授 Henner Busemann 表示：在未來(lái)的工作中，研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)將在月球隕石中尋找其他稀有氣體，比如氙（Xenon）和氪（Krypton），以及其他揮發(fā)性元素，比如氫（Hydrogen）或鹵素（Halogen）。

“這一發(fā)現(xiàn)可能會(huì)幫助地球化學(xué)和地球物理學(xué)科學(xué)家創(chuàng)建新的模型，更普遍地展示這些最易揮發(fā)的元素是如何在我們的太陽(yáng)系內(nèi)/外的行星形成過(guò)程中幸存下來(lái)的?！?/p>

參考資料：

https://www.eurekalert.org/news-releases/961341

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