地球是如何獲得月球這顆天然衛星的？這是一個爭論已久的問題，其中有巨大天體撞擊理論，該理論認為月球是由早期地球與一顆名為Theia（忒伊亞）的火星大小岩石天體碰撞而成，並已成為眾多解釋中的領跑者。但關於這是如何發生的細節還不清楚，科學家們仍在努力解釋許多觀察結果。現在，發表在《自然地球科學》期刊上的一項新研究，解開了圍繞撞擊理論最大謎團之一：

揭示了到底發生了什麼？即為什麼假設忒伊亞存在，月球最終與地球幾乎完全相同，而不是忒伊亞。根據撞擊理論，忒伊亞是一個大致相當於火星大小或更小的天體，在45億年前撞上了“成長”中的地球。這次碰撞產生了足夠的熱量，形成了岩漿海洋，並將大量碎片噴射到圍繞地球的軌道上，這些碎片隨後合併成了月球，該理論解釋了地球和月球相互旋轉的方式和速度。

地月是潮汐鎖定的，這意味著月球在繞地球旋轉時總是向地球顯示相同的一面。這就是為什麼我們中國在2019年將嫦娥四號航天器降落在月球背面時取得了這樣的成就，即從地球上永遠不可能與月球背面直接通訊。月球和地球的組成幾乎相同，不同之處在於，月球上的鐵較少，氫等較輕的元素也較少，而氫是產生水所需的。巨型撞擊理論解釋了其中的原因，重元素鐵將被保留在地球上。在撞擊和噴射到太空中產生的熱量，會將較輕的元素沸騰掉。

而地球和忒伊亞的其餘物質會混合在一起，計算機模型再現了導致月球形成的事件，最符合所有觀測結果的模型表明，月球應該由來自忒伊亞大約80%的物質組成。那麼，為什麼月球卻可疑地與地球相似呢？一種解釋是，忒伊亞和早期地球從一開始就有相同成分。但這似乎不太可能，因為我們太陽系中每個記錄在案的行星體都有自己獨特的組成。略有不同，反映了距離太陽的距離，也就是天體形成的地方。

另一種解釋是，這兩個天體的混合比預期要徹底得多，在月球上留下了一個不太清楚的忒伊亞簽名。但這也不太可能，因為它需要比實際發生的影響大得多的影響。這項新研究通過表明地球和月球並不像之前想象的那樣相似，從而解決了這一困境。研究人員非常精確地觀察了阿波羅宇航員從月球帶回的岩石中氧元素的同位素分佈。在化學上，任何元素的原子核都是由稱為質子和中子的粒子組成；某元素的同位素在原子核中的質子數量與常規版本相同，但中子數量不同。

在這種情況下，氧的同位素O-18，它有8個質子和10箇中子，比更常見的O-16(有8個質子和8箇中子)稍微重一些。研究表明，地球和月球的氧同位素組成略有不同，它們的剖面畢竟不一樣。更重要的是，當觀察月球地幔的岩石時，這種差異會增加，因為月球地幔是地表或地殼以下的一層，其氧同位素比地球更輕。這事很重要，因為地殼是混合殘骸可能最終到達的地方，而深層則會有更多的忒伊亞碎片。

所以忒伊亞和地球不一樣，月球和地球也不一樣，但這些結果也讓我們對忒伊亞本身有了更多了解。由於重力的原因，人們可能會期待更多更重的同位素更接近太陽。與地球相比，忒伊亞一定擁有更多較輕的氧同位素，這表明它可能形成於距離太陽比地球更遠的地方。有了這項研究的結果，巨型撞擊理論在解釋月球形成方面跨越了另一個障礙，在這個過程中，我們也對忒伊亞本身有了更多了解。

參考期刊《自然地球科學》

DOI: 10.1038/s41561-020-0550-0