形成与撞击

Q056 为什么地球的卫星——月球是圆的，但其他行星的卫星却是不规则形状的？这是怎么形成的呢？

莎莉·沃德，萨瑟兰郡，布朗拉（Sally Ward, Brora, Sutherland）

月球太大了，以至于它是“分化”的——也就是说，它有一个核心和一个外壳。天体必须够大，密度够高，才能形成这样的球形，其他行星的一些卫星是没有这些条件的。一般来说，横向宽度超过322千米的物体才可能成为球体，只有这么大的物体，其表面重力才能强到足以将任何大型的不规则地表夷为平地。

唯一一颗形状完全不规则的主要卫星是土星的土卫七（Hyperion），它的最大直径超过322千米，但是密度非常低。这颗卫星似乎主要由水凝结成的冰和少数岩石构成，所以它的密度不足以使它发生分化。有人认为，土卫七原本是现在的两倍大，只是碎裂成一半了。这也不是不可能，但如果是这样，那另外一半呢？

至于月球，关于月球形成和起源的争论一直都没停过，即使是现在，我们也不能假装自己已经确定了答案。

1878年，由乔治·达尔文（G. H. Darwin，提出进化论的查尔斯·达尔文之子）提出了第一个广为接受的理论。他认为地球和月球最初是一体的，但由于地球自转过快，导致这个球体裂开了一部分，变成了月球。后来一些权威人士，尤其是费歇尔（O. Fisher），认为月球脱离地球时留下的盆地如今已经被太平洋覆盖。这些理论听起来都很合理，但却在数学上遭到反驳：被甩出去的物质不会形成月球大小的球体，并且月球的直径是地球的1/3，而太平洋的深度和地球的直径相比，根本就微不足道。因此，现在全世界都否定了乔治·达尔文关于月球形成的这一理论。

哈罗德·尤里（Harold Urey）后来提出了“捕捉理论”：月球和地球都是从太阳星云中诞生的，月球原本是一颗独立的行星，但过了一段时间，二者由于引力产生联结。然而，这一理论需要在特别的条件下才能成立，而且也无法解释为什么月球的密度会比地球小那么多。因此，尤里的理论也被否定了。

1984年，威廉·哈特曼（William Hartmann）和唐纳德·戴维斯（Donald Davies）都提出了“撞击说”（Giant Impact theory）。这一理论认为，大约40亿年前，地球和一个约为火星大小的天体发生撞击，两个天体的核心融合在一起，四处飞散的残骸聚集在一起就形成了月球。由于撞击释放出太多的能量，因此刚形成的月球外壳熔化并变成很深的球体岩浆海。在接下来的1亿年里，年轻的月球中密度较高的元素渐渐下沉，形成月球的核；而较轻的元素则上浮，形成月球表面——这一过程就是“分化”。接下来就是重轰击阶段6，地球和月球被太阳周围较小的物体东敲西撞，导致表面布满了陨石坑。如今，我们仍然可以看到月球上的陨石坑，但地球上大部分的陨石坑都已经被风力、水力以及地壳板块的移动侵蚀或消除了。

“撞击说”目前已被普遍接受，但这个理论仍有很多难点，一些权威人士对此仍保持怀疑态度。哈罗德·尤里曾经表示，既然所有关于月球起源的理论都不令人满意，那么科学应该已经证明月球根本不存在了！

Q057 月球的公转方向是不是从形成以来就与地球自转的方向一样呢？

查克·阿特金斯，美国俄勒冈州，波特兰（Chuck Atkins, Portland, Oregon, USA）

也许是，不过就如我们在其他问题中看到的，目前没有办法确定月球是怎么形成的。如果“撞击说”是正确的，那么所有的天体都朝相同的方向转动，但是我们很难知道在大撞击时到底发生了什么事。

除了海王星最大的卫星海卫一（Triton）之外，太阳系里没有其他主要卫星的自转方向与它们的主行星相反。我们可以肯定，海卫一是柯伊伯带（Kuiper Belt）中一个独立的天体，只是被海王星捕捉了，而这只是一个特例。老实说，我们目前的了解不过仅此而已。

Q058 既然月球上布满小行星撞击的证据，那为什么我们现在看不到小行星撞击它呢？

杰森·吉林厄姆，北安普敦郡，凯特灵（Jason Gillingham, Kettering, Northamptonshire）

我们要记得，以地球的标准来说，月球上所有的陨石坑都已经很古老了。在过去10亿年里，重轰击式的撞击已经很少发生了，但由于月球没有大气层，所以这些冲击造成的陨石坑仍然很明显，而当时地球上形成的大部分陨石坑却都已经被侵蚀磨平了。

如果现在还有撞击，即使是小型的撞击，望远镜和现代的记录仪器也都可以观察到。月球上出现过一些闪光，有些是观察者亲眼所见，甚至还拍到了照片，但是我们从来没有在闪光发生的地点发现陨石坑。此外，你可能会期待看到大型撞击形成的可见尘埃云，这些尘埃云经过一段时间才会落回月球表面，但我们也从来没有观察到这种现象。

大家经常说，流星雨会在月球上留下可见的撞击痕迹，但这个说法是有争议的。我们其中一人（摩尔）的意见是，月亮上的流星雨的陨石从地球上看只有沙粒般大小，这样小的陨石根本不可能造成地球上看得见的闪光；但其他观察者相信，我们看到的确实是微小天体撞击月球的现象。这一切还没有定论。

Q059 曾经有人观测到月球陨石坑的形成吗？如果有，最后一次是什么时候发生的呢？

彼得·巴顿，埃塞克斯郡南部，多德豪斯特（Peter Barton, Doddinghurst, south Essex）

我们从来没有观测到任何大型陨石坑的形成，正如先前说过的，月球上所有的大型陨石坑都已经很古老了。不过，我们曾经制造过陨石坑。“SMART-1”探月卫星7和“月球坑观测和传感卫星”8曾专门飞向月球，世界各地的望远镜以及月球轨道上的卫星都拍摄到了当时的撞击画面。太空中会有小块的岩石飞过，有些会撞上月球，由于月球没有大气层，所以应该随时都会形成小陨石坑。

不过，还有一些很有意思的历史数据记录了月球的改变，其中一项是1178年的一起目击事件。坎特伯雷（Canterbury）的杰维斯（Gervase）撰写过一本中世纪编年史，里面就对这起事件进行了描述。根据1976年哈顿（J. Hartung）的说法，这段拉丁文的译文如下：

今年的一个周日，也就是施洗者圣约翰浸礼会之前，日落之后，月亮刚刚开始出现，有五六个面对月亮坐着的人看到了惊人的一幕：与往常一样，月亮的角朝向东方，上方的角突然裂成两半。从分裂的中心点冒出了一支燃烧的火炬，喷出火焰、炽热的煤炭和火星，并且喷射的距离相当大。与此同时，月亮似乎焦躁不安地扭动着。用那些目击者的话来说，月亮就像一条受伤的蛇般抽动着。过了一会儿，它又回到正常的状态。这个现象重复了十几次，甚至更多次——火焰随机地呈现出各种扭曲的形状，接着又恢复正常。在这些转变之后，月亮从上方的角到下方的角，也就是沿着它的整个长度，呈现出黑色。亲眼看到这些现象的人前来告诉笔者，他们愿意以自己的名誉发誓，在上面的叙述中，既没有添油加醋，也没有捏造事实。

描述中所谓的“角”是新月的端点，而这些人描述的现象，似乎很符合月球受到大撞击时发生的事。哈顿在调查后得出了结论，这些人可能完整地看到了布鲁诺陨石坑（crater Giordano Bruno）的形成过程。这个坑就位于描述中指出的区域（接近盈凸月的上方顶端），而且它似乎是月球上较年轻的陨石坑之一，估计有800年左右的历史。从它相对明亮的外表以及依旧散发出辐射纹的特征来看，它存在的历史较短；因为辐射纹会被后续的撞击侵蚀。

对于这段描述的解释是，那些人可能是、也可能不是见多识广的天文学家，他们看到了撞击产生的物质被日光照亮所形成的闪光，并将闪光解释成火焰与火星。整个新月变得黯淡则可能是由于尘埃暂时覆盖了整个月球，不过令人惊讶的是，新月变暗的现象发生得太快，也可能只是地球大气层的云遮住月球而已。

当然，这些观测可能无法被证实。月球上的陨石坑形成时应该会在地球大气层中创造出明亮的流星雨，这在当时应该也会被记录下来；可是由于缺乏流星雨的证据，上述假设就站不住脚了。不过，光是想象我们可能书面记录过这种重大事件，也十分令人激动了。

Q060 如果一颗小行星撞上我们的月球而不是地球，会发生什么事呢？

弗兰克·达克沃斯，泰恩-威尔郡，华盛顿（Frank Duckworth, Washington, Tyne & Wear）

如果大型小行星撞上月球，会在月球表面形成非常大的陨石坑！这在过去肯定发生过，例如，巨大的“雨海”（Mare Imbrium）肯定是撞击形成的。但是“重轰击”的时代已经结束了，尽管我们没有理由假设未来还会发生这样重大的撞击，但由于地球的引力更强，地球很可能比月球更容易被小行星撞上。

我们不可能预测撞击发生的时间，但也绝对不能抹杀这种可能性。

Q061 月球背面的陨石坑更大，是因为地球保护了月球面对我们的这一面吗？

安迪·库克，布里斯托尔，亚特（Andy Cook, Yate, Bristol）

面对地球与背对地球的月面陨石坑大小差异是由许多因素造成的。当然，地球保护了月球面对我们的这一面是其中一个原因。在地月系统形成后的长久以来，月球就一直以同一面面对地球。此外，在遥远的日子里，月球一定曾经存在某种大气层，但可能很快就消失了。月球的内部曾经也很活跃，到处都有火山爆发，最后造成两侧很大的不同。在背对地球的那一侧，没有像面对地球这面的“雨海”一样那么大的海。我们对月球内部的研究表明，背对地球那一面的月球外壳比面对地球这面厚很多。对此有很多解释，例如，月球两面受到的潮汐力差异造成了结构上的差别——但目前还不清楚哪种解释是真的。

“月海”之一的雨海（Mare Ibrium）是在数十亿年前的一次巨大撞击中形成的，随后被熔岩覆盖。在朱利安·库珀（Julian Cooper）拍摄的这张照片中，可以清楚地看到火山物质比周围的地形颜色更深。

最近的计算机模拟显示，月球较远处的外壳较厚，可能是由于第二月球的撞击。第二月球很可能是在形成现在月球的相同撞击中形成的，并且可能在同样的轨道上停留了数千万年。不过最后，这个轨道可能开始变得不稳定，我们假设第二月球比较小，可能从月球后方（以我们的角度来说）撞上了月球。如果撞击发生的时候，月球还在冷却的过程中，那么月球表面下仍会有小型熔融地幔。模拟显示，第二月球的撞击可能会让背对地球那一面的月球表面覆盖上与地壳相同的物质，并且使地幔移向了面对地球这面。

虽然这个理论可以解释我们观测到的结果，但很难证明。来自较小的第二月球的物质会更快冷却，也会显得更为古老。也许当“圣杯号”双卫星（英文名缩写为GRAIL，又名重力回溯及内部结构实验室探测器）于2012年年初进入月球轨道后，我们才能得到证实或推翻这一理论的证据。9