地球可能曾有两个月亮
2014年5月29日
“大拦截（The Big Splat）”，解释月球奇特不对称性的新模型
半个多世纪以来，月球一直在嘲笑最优秀的科学人才，这对埃里克·阿斯普豪格（Erik Asphaug）来说，简直受够了。
月球的嘲讽开始于阿斯普豪格出生前三年。1959年10月7日，苏联月球3号绕到了月球背面，拍了一系列粗糙但清晰的照片，并用无线电波把它们发回了家。因为月球的自转与公转同步，它的一个半球永远朝向地球，因此另一半永远背对地球，无法看到。月球3号首次拍到的月球背面照片展现的是一片广阔起伏但乏味的灰色高原，这片景色与电影《月中人》表现的富有魅力的正面完全不同。但没有行星科学家出来对那古怪的一半发表意见。“我记得当时我还是个孩子，在看了展示月球背面的电视节目后，便觉得特别不可思议。一个星球的两侧竟会有如此巨大的差异，”阿斯普豪格说。
埃里克·阿斯普豪格
时间到了2010年，阿斯普豪格已经是圣克鲁斯（Santa Cruz）加州大学的地球与行星科学教授。此刻，他正在参加一场研讨会，他还在等待对月球不对称性的解释。同事伊恩·加里克-贝瑟尔（Ian Garrick-Bethel）正在描述他提出的理论，他听得有点不耐烦。在他同事的理论中，地球引力在数十亿年前给年轻的熔融月球带去了强大的潮汐效应，潮汐力使月球表面凸起，凸起部分在冷却后便形成了月球背面较厚的月壳，以及许多独特的形态。阿斯普豪格觉得这个说法糟透了。“潮汐导致的凸起在月球的相对两侧都会出现，这和地球上的潮汐是一样的，”他说。这个理论只把注意力放在了月球背面。“依照这个理论，就必须有一个奇迹出现，来帮助它移去另一面的凸起。它制造的麻烦比之前还糟糕。”
阿斯普豪格不仅仅是被惹恼了，他是被激励了。多年来，他一直在研究早期太阳系低速碰撞模型。“人们被偏见左右了，以为碰撞必须是高速的，”他说。“大家忘了物体还可以低速碰撞。” 这类事件大多具有建设性，而不是毁灭性：如果两个天体缓慢碰撞，它们就会结合在一起，“就像往墙上扔泥巴或者互相扔雪球。阿斯普豪格思考过的低速撞击，他称之为“拦截（Splat）”，这可以解释彗星的形成。忽然，他意识到，面前的月球问题可能有了解决方案。他逮住他的博士后马丁·朱兹（Martin Jutzi）（现在在伯尔尼大学），把自己的想法告诉了他。假如地球曾经有两个月球，后来才合并成现在我们所知的那个呢？
“我们在那场研讨会后去了实验室，把月球被它同伴击中这一想法变成代码，输入了计算机，”阿斯普豪格说。计算的结果，是一个关于月球不对称性的新解释。按照阿斯普豪格的看法，杂乱的月面高原是另一个月球的残骸，它曾经环绕地球运行，但后来结合在了现代月球身上。月球背面看起来像另一个世界，而实际上它就来自另一个世界。新模型提供了对古代月球形成与现代月球特征的一体化解释，但对阿斯普豪格来说，这个概念更为深刻。它展现的是行星系统形成方式中一个更大且更广泛的概念：这是一种温柔的碰撞，是在热吻中的合体。
和科学中的大多数理论一样，阿斯普豪格的“大拦截”模型是建立在之前的理性研究基础上的。事实上，第一个真正的关于月球形成的科学描述，也是以两个世界的互动为中心的，只是它想像的是分裂而非联合。1878年，查理·达尔文的儿子，乔治·达尔文（George H. Darwin）提出月球是被快速转动的新生地球甩出来的，就像任性的孩子在玩旋转木马时被扔出去一样。地球丢失部分的证据仍然存在，也就是太平洋盆地。
这个“分裂假说”纠缠了人们很久。我记得我小时候，我哥哥给过我一些月球3号发射前几年出版的书，在这些阿波罗任务前的梦幻科学书籍中，就有介绍。但是从动力学的角度来说，这行不通。地球的自转没有这么快，快得把它自己一部分都能甩出去。即使有这么快，也没有办法获取足够的角动量，来匹配地球和月球当前的状态。至于太平洋，它也是一个暂时的特征，它和现代地球的板块排列有关。月球在44亿年前形成时，太平洋还不存在呢。（原谅达尔文吧，他提出这个概念时，板块构造学说还要再过将近90年才出现呢。）
它没有回答的，是我们面前这个闪亮的大问题：为什么月球看上去是这个样子的？
其它关于月球形成的说法也接踵而至，它们都假设地球和月球间有着某种不同寻常的联系，但是每一种都深陷在它自身缺陷所带来的困扰中。美国天文学家T·J·J·思（T.J.J. See）提出月球可能原本是一个独立的行星，是地球将其俘获的。它的缺陷在于：我们地球的引力还不够强。而许多其他研究者，比如口才很好的法国数学家爱德华·罗氏（Edouard Roche），主张地球和月球是在早期太阳系中肩并肩同时形成的。缺陷在于：在地球化学家分析阿波罗宇航员从月球带回的842磅石头后发现，月球的总体成份与地球明显不同，缺少易于汽化的挥发物成份。二者若是同时产生，那这理应更为相近。
但是，在其它某些方面，月球的化学成份与地球非常相似——相似到非常奇怪。月岩中有两种以不同形式存在的氧，它们的比例与地球岩石几乎完全一致。氧的比例是标志性的，它可以告诉我们这个物体的形成地。陨石有它自己的比例。火星有它自己的比例。而月球看上去却像地球的双胞胎。现在你知道了：正因为月球太像地球，所以月球如此与众不同。另外，更多微妙的不对称性也亟需得到解释。
啪啦！月球形成记：这是原型月球和同伴月球碰撞的模拟图，显示了同伴月球的物质是如何结合到原型月球表面，并形成不对称的半球的。根据行星科学家阿斯普豪格的说法，这一过程可以解释月球为何会不对称。浅蓝色代表月壳，深蓝色代表月幔，黄色代表上月幔物质（岩浆海）。同伴月球最终以薄饼外形的层次结构存在于现代月球，形成了与月球背面高原相似的多山地形。
行星科学家在研究了大量复杂的证据后，受1975年两篇突破性论文的启发，开始把注意力放在了新的假说上，这就是“大碰撞（ Giant Impact）”理论。在这一模型中，地球刚诞生时，比月球还小。在它形成后不久，与一个火星大小的天体发生了剧烈相撞，这个天体通常被称为忒伊亚（Theia）——忒伊亚是希腊神话中月亮女神塞琳娜（Selene）的母亲。在随后的地狱般环境中，被蒸发的忒伊亚构成了地球外层的大部分。一些物质被轰到了宇宙空间，但是其中许多开始在伤痕累累的地球周围形成一个积吸盘。在经过非常短的时间后——也许只有十年！——这个积吸盘开始凝聚成月球。
大碰撞理论可以解释地月系中许多化学和动力学问题。尽管还无法确认，但它已经被广泛接受，几乎成了关于月球为何存在的最佳解释。它还没有回答的，是我们面前这个闪亮的大问题：为什么月球看上去是这个样子的？
这个问题不仅是关于化妆术的。《月中人》中表现的月海是巨大的暗黑平原，那里有凝固了的熔岩。基于某种原因，几乎所有的月海都位于月球正面。通俗地说，早期月球在面对地球的一侧拥有更多的活火山。NASA的绕月卫星GRAIL（引力恢复与内部实验室）测量了月壳，确认月球背面的月壳要更厚；它还在正面（仅有正面）找到了暗藏的由长线条组成的网状特征，行星地质学家认为它们是火山堤。看上去它们象是由地球引力造成的，但是没有物理学上的可能性能够建立这种联系。
“人们想要解释这种不对称性已经很久了。各种观点不断提出，但总是排徊不前，”阿斯普豪格说。关于月球双重身份的问题还会被经常性地扫地出门。去年秋天，加州理工学院的大卫·史蒂芬森（David Stevenson）协助主持了一个在英国皇家协会举行的关于月球形成课题的研讨会。他讽刺他的同事在讨论这个问题时的方式时说：”房间里有一头大象，但是人们把它忽视了，转而却去寻找墙角的猫。”
在许多方面，阿斯普豪格的模型是对现有月球形成理论的有机扩充——也是对当前行星诞生理论的扩充。婴儿太阳系是从尘埃、岩石、小行星、行星这样一步步建立起来的，它们都存在于大约45亿年前围绕着新生太阳的旋转积吸盘中。在这个故事中，证据已经大量存在，其中有对陨石的分析，以及对其他婴儿恒星周围类似积吸盘的观测。两个行星如果靠近，那么它们就可能相撞。相撞过程有各种类型，其中有一些非常温柔的方式，以使两个天体能够结合在一起，成为单一、更大的个体，阿斯普豪格解释说。否则，行星就会停止生长，我们的太阳系也会变成一大堆碎石块。
阿斯普豪格把他的工作都花在了探究相撞过程的细节中，开始是在圣克鲁斯，2012年后，转移到了现在的家，亚里桑那州立大学。这些年来，他为主流的大碰撞模型作了许多贡献，比如帮助它把忒伊亚模型细化为一个火星般大小的闯入者。在此过程中，他说，“我认识到仅有积吸是不完美的，也过于复杂。”他把兴趣转移到了他称之为“准积吸”的事件类型中，这是一种两个行星不完全碰撞的情形；他开始注意到大碰撞只是许多行星际遭遇的情形之一，这些情形包括了从缓慢合并，到双方幸存、大部完好的“打了就跑”式撞击模式的整个范围。
“我在研究生期间的大量学习经验告诉我，在行星科学上，你在到达知识的极限前，你做不了什么。和物理学不一样，在那里你有400多年的东西可以学习，并慢慢寻找一个可以来阐述的课题，”阿斯普豪格说。在行星科学中，有许多没有答案的基础性问题。你可能会开始说，“你这么想的吗？真的吗？好吧，现在我有一个主意了。”
研讨会上的顿悟，让阿斯普豪格开始思考大碰撞后发生了什么。行星科学家通常假设在那之后产生了一个月球，但是这不是唯一的可能。阿斯普豪格的想法和他那原本为彗星设计的计算机模型的计算结果完美吻合，在那之后会有两个月球产生。“我们必须暂停一下我们的大脑。这是一种巧合，”他说。
两个月亮？天体碰撞导致的是山崩而不是灾难？好吧，能让我们回到那时去看看吗？
作为这个构想的第二部分，哈佛大学的马狄加·库克（Matija Cuk）已经推断了第二个月球可能从何而来。当大碰撞创造了一个围绕地球的熔岩环时，库克解释道，会有两个稳定点，分别位于月球前方60度和后方60度。这些点就像引力潮汐的平静蓄水池，可以让第二个、较小的天体在此处形成。库克没有给这个天体取名字，但是为了叙述方便，我称之为恩底弥翁（Endymion），他是希腊神话中塞琳娜的追求者。
最初，月球和恩底弥翁和平共处，但是（就像浪漫爱情故事中经常发生的那样）随着时间的推移，事情在发生变化。引力互动导致月球渐渐远离地球，这动摇了整个系统的动力平衡。恩底弥翁失去了稳定，终于坠入了塞琳娜的怀中。据库克推测，恩底弥翁应该是整个都破裂了，并像雨一样落到了月球表面，如同一场小行星的冰雹。但阿斯普豪格认为情况可能不同。
“当并行轨道上的物体以相当慢的速度发生碰撞时，其速度仅相当于东西从空中落下，因此它不会制造大震荡和太多的熔岩，”阿斯普豪格说。“与其说它是一场大撞击，还不如说它是一场宇宙级的山崩。它是你所能想像的最大级别的山崩。”恩底弥翁残骸落下的速度可能只是每秒数百米，这只是最先的那次大碰撞速度的百分之一。
“假如你经过计算，你就会发现在撞击点会形成凸起；在此处会存在由较低密度物质组成的较厚月壳，”阿斯普豪格说。在他模型中，凸起部分的形态与月球背面实际月壳的形态是相符的。根据这些额外月壳的质量，他估计恩底弥翁的宽度大概会在621英里（1000公里）左右；大概相当于现代月球直径的四分之一。这样一个小天体经过1千万年便可冷却成固态的岩石，这一周期大致相当于恩底弥翁开始变得不稳定时的年龄。当它塌落到月球表面时，会产生一个可覆盖整个半球的碎石场，这与月球背面较厚的月壳很好地对应了起来。
大拦截理论还会导致一个有趣的结果。落到月球一个半球上的岩石重量会压缩月壳下的融熔物，并将它推向另一半球，阿斯普豪格解释说，“因此它导致的不仅是月壳的不对称，还导致了热量的不均衡。”集中在月球一侧的热量会导致它膨胀，导致GRAIL看到的那种火山堤的出现。瞧：月球背面的厚月壳，月球正面的活火山，还有神秘的月球火山堤，都可以由这一记“敲击”来解释。
但是阿斯普豪格还不能确信大拦截理论是否可以全面解释月球异乎寻常的不对称，这是指月球正面那些高浓度的深色斑纹。“这是有点过份，”他承认，因为熔岩流是在月球形成大约十亿年后才爆发并形成月海的。但是他的模型对月壳较厚的月球背面和内部更热的正面的解释，至少为熔岩为何偏爱其中一个半球设置了正确的先决条件。
听阿斯普豪格讲得越多，我就越信任这个人。虽然大拦截理论不能够解释月球的所有异常现象，但它还是回答了其中相当多的疑问。但是到今天为止，在进展缓慢的月球科学领域，阿斯普豪格收到的回应仍然不够热情。不是一个月亮而是两个？天体碰撞导致的是山崩而不是灾难？好吧，能让我们回到那时去看看吗？
乔伊·梅尓西（Jay Melosh）是普渡大学（Purdue University）的资深行星地质学家，也是GRAIL小组的成员，他担心最终获得的月球背面月壳密度是和正面一样的。当然有可能恩底弥翁的密度恰好和月球表面一样，但是缺乏多样性“同样会使阿斯普豪格的模型难以维持， ”他说。史蒂芬森也有同样的警告。“我觉得它不能让人心悦诚服，但是我不排除这种可能性，”他说。“它不会在我们所认为的大碰撞后自然而然地出现。”像库克那样的动力学家则更为支持这个模型。最终结果尽管如此，但主要的判断不是有证据表明这个理论是错的，而是因为它还没有获得足够的正面证明。
阿斯普豪格是和善的。“我们可能会拥有一个可以来解释许多事情的假说，但是相对来说，它却是无法证明的，”他说。“我们现在是缺乏数据。”如果将来有机会在月球上建立一个地震监测网，我们就将有机会读到由其内部结构记录下来的完整月球历史。大碰撞中发生的一切（如果有的话），以及随后的大拦截（同上），肯定会在其深处留下记号。NASA在两年内将发射InSight，它是一个高精度的火星地震监测站。但是每个针对月球的类似建议都被枪毙了。“美国人在20世纪70年代登月后在月球上就几乎什么也没干，这么说太令人沮丧了，”阿斯普豪格说。“我觉得最后得到答案的会是中国人。”
来自《月中人》的最终信息：依照阿斯普豪格所言，那样的行星形成过程是草率、创造性和广泛多样的。
幸运的是，这个忧郁的解释不是故事的结尾，因为还有其他方法——好多方法——来测试阿斯普豪格的模型，并且从中学到行星和月球是如何形成和演化的。“准积吸”事件的证据，他解释说，可能在我们周围到处都是。“拦截”的古老分层特征可能会在彗星上保留下来：欧州空间局的洛塞塔（Rosetta），现在正在奔向它的目标Churymov-Gerasimenko彗星，可以让我们一探究竟。冥王星和它最大的卫星卡戎的形成机制可能与地月大碰撞相似：新地平线号探测器将在2015年飞越它们。火星的南北半球也不对称：InSight探测器将协助我们调查那里是否也有过一个撞击。
阿斯普豪格在继续研究他的模型时，也涉及到了越来越多的领域。在去年发表于Icarus的一篇论文中，他提出土星复杂的卫星系统也可能是多次碰撞和合并后的产物，它会是我们月球经历过程的复杂版本。他关于水星的最新观点，现在正在出版中，他认为水星在它形成的过程中遭遇了一次“打了就跑”类型的撞击，这可以解释它的密度、富铁结构，以及它难以置信的存在于炽热外壳中的水。
来自《月中人》的最终信息：依照阿斯普豪格所言，那样的行星形成过程是草率、创造性和广泛多样的，这些方式是他的许多同事所忽略的。他不想错过其中的任何一部分。“有了现代计算机，我们就有了非常大的探索空间，”他说这话时有与2010年奔去实验室时一样的极客激情。“有趣的事永远不会停止。”
作者科瑞·S·鲍威尔（Corey S. Powell）是《发现》杂志和《美国科学家》的编辑，同时为《在那儿》专栏和博客撰稿。
