大碰撞假说

大碰撞说（英语：Giant impact hypothesis），是一种解释月球形成原因及过程的假说，也可用于探讨金星及火星等类地行星的卫星生成。该假说认为在大约45亿年前（或太阳系形成后约2,000万到1亿年前的冥古宙），地球和一颗火星大小的天体发生撞击，残留的碎片形成了月球。这颗撞击地球的天体被称为忒伊亚（Theia），这名字是希腊泰坦神话里月神塞勒涅的母亲之名。大碰撞说是目前最受青睐的科学假说，支持的证据包括：地球自转和月球公转方向相同、月球曾拥有熔融态的表面、月球拥有较小的铁核且其密度比地球低、由其他行星系统发生类似碰撞所得到的证据（即导致岩屑盘）、符合主流的太阳系形成理论。最后，月球和地球岩石拥有的稳定同位素比率是相同的，这意味着相同的起源。尽管为目前最佳的月球形成假说，大碰撞说仍存在一些缺陷。理论上，大碰撞产生的高温会形成全球性的岩浆海，然而，没有证据能证明较重的物质因此沈入地幔。目前，没有模型能对于从发生大碰撞到形成月球的过程作出完美解释。其他问题包括，月球何时开始失去挥发性物质、以及同样发生过碰撞的金星为何没有卫星。在1898年，乔治·达尔文提出月球和地球曾是一体的说法。他认为由于离心力作用，月球从熔融态的地球脱离出去。这说法成为当时学术界的主流。此外，达尔文经过牛顿力学计算，得出月球过去的运行轨道比现在更接近地球，且随着时间流逝，月球渐渐远离地球。这个现象已由美国和苏联，经由月球激光测距实验得到证实。不过，达尔文无法解释为何月球总是以同一面朝向地球。1946年，哈佛大学地质学系退休系主任的雷金纳德·奥德沃思·戴利改进了达尔文的假设，认为月球的形成是经由撞击而非离心力造成。然而在1974年之前，戴利的解释并不受重视，直到1975年威廉·肯尼斯·哈特曼（William K. Hartmann）和唐纳德·达韦斯（Donald R. Davis）两位博士在《伊卡路斯》（Icarus，太阳系研究期刊）上发表论文，这个想法才重新受到注意。他们认为，行星形成末期形成好几个卫星大小的星体，其中之一与地球相撞，碰撞过程中喷射出大量尘埃，而其中缺乏挥发性的尘埃在日后形成月球。这个理论可以解释月球独特的地质和化学性质。加拿大及美国天文学家阿拉斯泰尔·G·W·卡梅伦和威廉·R·沃德也提出类似的假设，认为一颗火星大小的天体和地球切向撞击并形成月球。这个假说里，碰撞导致天体外部大部分的硅酸盐被气化。然而金属的核心不会气化，因此因碰撞而被气化并送入地球轨道的物质几乎都是硅酸盐类，且月球在日后形成时因而缺乏铁。此外，挥发性更大的物质可能在碰撞之后离开太阳系，而硅酸盐类则倾向于聚合成天体。忒伊亚（Theia）名称取自古希腊泰坦神话中的泰坦女神忒伊亚，她是塞勒涅（Selene，月亮女神）的母亲。这个名称最初由英国的地球化学家亚力克斯.N.哈利德在2000年提出，并且已被科学界接受。依据现行的行星形成理论，忒伊亚是一颗存在于45亿年前的原行星，大小与火星相似。地球形成的过程中，曾与数十个原行星发生过碰撞，忒伊亚与地球产生月球的“大碰撞”只是这些碰撞中的其中一次。天文学家认为大碰撞发生在约44亿到44.5亿年前，大约是太阳系开始形成后3,000万年至5,000万年。在天文学的术语中，这次撞击的速度是温和的，忒伊亚以倾斜角撞击地球，而当时的地球几乎已经完全成形。电脑模拟“后撞击”的结果显示，撞击的角度大约是45°，初始速度低于4公里/秒。忒伊亚的铁核沉入了早期地球的地核，同时，两者的地幔互相混合。然而，地球和忒伊亚的地幔有很大一部分被抛掷进入环绕地球的轨道（当速度介于轨道速度与逃逸速度之间）。这些物质很快的合并形成月球（所花的时间可能不会少于一个月，但也不会超过一个世纪）。一些物质进入环绕太阳的轨道，并且稳定的待在它们的开普勒轨道上，地球-月球系统之后很可能撞上它们。（因为地球-月球系统也是固定运行在绕太阳的开普勒轨道上。）计算机模拟的结果估计，忒伊亚的物质有大约20%会成为环绕地球的碎屑，而这些碎屑中的半数会合并形成月球。地球从这次撞击获得巨大的角动量和质量。无论撞击前地球的自转速度和倾角是如何，撞击后地球上的一天只有五小时长，且地球的赤道和月球轨道形成共平面。并非只有月球形成，由于月球背面的地壳较厚，表示直径大约1,000公里的第二颗卫星可能曾存在于月球与地球的拉格朗日点；数千万年后，这两颗卫星离地球越来越远，太阳的潮汐力使得拉格朗日轨道变得不稳定，这颗小卫星最后以缓慢的速度撞击到月球背面。于2001年，华盛顿卡内基研究所的一个团队检测阿波罗计划所采集到的月球岩石，结果发现它的同位素特征与地球上的完全相同，而不同于来自于太阳系的其它物体。因为以往认为大部分形成月球的物质是来自忒伊亚，所以这是个出乎意料的结果。2007年，来自加利福尼亚理工学院的研究显示，忒伊亚与地球有同样同位素的可能性很低。(少于1%)他们建议大碰撞过后，地球与原月球处于熔融态，且两者之间存在硅酸盐蒸汽组成的大气，地-月系统借由这片大气的对流进行物质交换。这是唯一能解决"同位素相同"此一问题的假设，然而条件是此过程必须维持至少100年。 2014年，一份德国的研究报告显示，两者（阿波罗计划与地球）的岩石同位素特征确有微小差异。尽管差异微小，在统计上仍是十分显著 。一个可能的解释是，忒伊亚是在靠近地球的地方形成的。大碰撞的间接证据来自阿波罗计划采集到的月球岩石，其中的氧同位素比例与地球上的完全相同。除此之外，月球的地壳拥有高比例的斜长岩，以及丰富的克里普矿物，这表示大部分的月球可能曾经是熔融态的，而大碰撞产生的高能量很容易就能形成这种岩浆海。若干证据显示，如果月球有一个铁核心，那么这个核心肯定很小。就月球的平均密度、转动惯量、自转特征和磁感应的回应等因素推测，月球的核心半径可能小于月球半径的25%，相较之下，大多数天体的比率是50%。碰撞的各种条件可以发现，月球的成分主要来自地球和撞击体的地幔，而撞击体的核心与地球结合，这假设能满足地球-月球系统的角动量分配。。对月球、地球及火星的岩石样本作锌同位素组成比较，提供大碰撞说更进一步的证据。 行星岩石在挥发时，锌的同位素之间会被明显的分馏, 但一般的火成岩不会有这个现象 — 因此，锌的含量与同位素组成能清楚的分辨这两种地质过程。与地球和火星的火成岩做比较，月球的岩石含有较多锌的重同位素，且含有较少的锌; 这表示锌自月球上蒸发而被耗尽，且大碰撞说的起源一致。在距离29秒差距，年轻（大约1,200万岁）的绘架座β移动星团内的恒星HD 172555附近，斯皮策空间望远镜观测到了温暖富含硅的尘埃和大量的氧化硅（SiO）气体，它们是岩石之间高速度（> 10 km/s）撞击的结果。昴宿星团的年轻恒星HD 23514也被观测到距离恒星0.25AU和2AU之间存在有温暖的尘埃带，它们被解释为行星大小的物体互相碰撞的结果，而且碰撞的天体可能就是忒伊亚与原始地球。在BD +20°307（英语：BD +20°307）（HIP 8920, SAO 75016）这颗恒星也检测到另一个相似的温暖尘埃带环绕着该恒星。这个解释月球起源的假说还有一些尚未解决的困难，例如，大碰撞所产生的高能量理应形成岩浆海。然而，没有任何证据显示地球曾经有过这种岩浆海洋，而且地球上存在一些从未受岩浆海影响的物质。一些成分上的不一致需要提及。金星同地球为类地行星，它可能也遭遇过类似“大碰撞”的撞击，并产生一颗卫星，但实际上，金星却没有卫星。一种可能性是发生了第二次的碰撞抵消了第一次撞击所产生的角动量；另一则是太阳强大的潮汐力也会破坏靠近行星的卫星轨道。基于以上理由，如果金星早期的自转速度又足够缓慢，则大小超过数公里的卫星可能早已落入这颗行星的表面了。混沌期的类地行星进行模拟，表明类似“大碰撞”的撞击是很常见的。对于拥有0.5-1倍地球质量的典型类地行星，这样的撞击通常会形成拥有行星质量4%左右的单一卫星。这颗卫星的轨道倾角是随机的，但是会影响到后续的演变。例如，一些轨道可能导致卫星螺旋的回到行星内。同样的，恒星与行星的距离也会影响到轨道的演变。若距离类地行星越遥远且与其轨道对齐，将能增加卫星稳定环绕轨道的机会。在2004年，普林斯顿大学的数学家爱德华·贝尔布鲁诺（英语：Edward Belbruno）和天文物理学家理察·戈特（英语：J. Richard Gott）提出忒伊亚在相对地球的L4或L5拉格朗日点（在与地球相同轨道上的前方或后方60°的位置）发生撞击，类似于一颗特洛伊小行星。 二维的电脑模拟显示忒伊亚的特洛伊轨道在忒伊亚的质量累积到地球质量的10%时将会失去稳定。此时，忒伊亚的引力摄动将使其从稳定的拉格朗日位置离开，并且随后就和原始地球产生交互作用，导致这两个天体的碰撞。在2008年，新证据显示大碰撞可能不是发生在以往所认知的45.3亿年前，而在约44.8亿年前。大碰撞可能还创造出了其它值得注意的天体，它们在地球和月球之间的拉格朗日点上堆积。这些天体可能停留在地球-月球系统内一亿年，直到其他的行星引力打破了这个系统平衡，使它成为自由天体。在2011年的一项研究推测，月球与其中一个小天体发生碰撞，造成月球两半球之间的显著物理差异。由于这些碰撞的速度够低，因此不会形成坑洞。否则这些小天体的物质会遍布在月球上（自其背面开始），为月球增添一层厚厚的地壳。质量的不均匀随后产生重力梯度，并导致月球的潮汐锁定，于是今日，从地球上只能看见月球的同一面。典型的大碰撞说不能完美解释地球和月球在物质成分上的相似。苏黎世联邦理工学院的物理学家Andreas Reufer和她同事们提出其他可能，忒伊亚可能是直接与地球面对面的碰撞，而不是勉强的擦撞。碰撞的速度可能远高于先前的估计，而且可以完全的摧毁掉忒伊亚。经过这样的修改，忒伊亚的组成成分不再有那么多的限制，即使忒伊亚有50%是由冰组成也有可能。其他关于月球起源的假说有：月球是因为离心力从熔融的地球表面剥离；月球是来自其他地方，然后被地球引力场捕捉；或是地球和月球在相同的时间和地点从同一个吸积盘形成。这些假说没有一个可以解释地球-月球系统的高角动量。一个假说认为，月球的形成时间点比以往所认为的久，大约在太阳系形成后6,000万年至1亿4,000万年之间，月球的年龄在45.27亿±1,000万年间。这个假设会在地球上产生岩浆海，让地球和原始月球可以借由金属蒸气的交换以达到成分的平衡。另一个由罗宾·克纳（Robin M. Canup）提出的假说认为月球和地球是一起形成的。在这个假说里，两颗有火星5倍大小的小行星互相碰撞，产生了两颗大小相似的行星。这两颗行星再碰撞，然后产生我们现在的地球。再碰撞之后的地球被物质环包围着，而这些物质环聚合起来形成原始的月球。这个新假说能解释地球和月球相似的成分。