当地球有两个月亮的时候

F或者说半个多世纪以来，月球一直在嘲笑科学界最优秀的人才，对埃里克·阿斯法格来说，这已经足够了。

嘲弄开始于阿萨福格出生前三年。1959年10月7日，苏联“月球3号”宇宙飞船在月球背面绕圈飞行，拍摄了一系列模糊但清晰的照片，然后通过无线电将这些照片传回地球。因为月球的自转与公转完全同步，一个半球总是指向地球，而另一个总是指向远方，看不见。月神3号的第一张月球远端图像显示出一片崎岖的、温和的灰色高地——这与近端富有魅力的、人在月球上的标记完全不同。即使是行星科学家也能意识到这种人格分裂的怪异之处。阿萨福格说:“我记得当我还是个孩子的时候，看到一个展示月球远侧的新闻节目，我想这是不可思议的，一个行星可以在每一面都如此不同。”

现在是2010年，加州大学圣克鲁兹分校(University of California, Santa Cruz)的地球和行星科学教授阿萨福格(Asphaug)出席了一个研讨会，仍在等待对月球剧烈的不对称性做出解释。他听着同事伊恩·加里克-贝塞尔(Ian Garrick-Bethell)提出的答案，越来越坐立不安。在这个最新的理论中，地球的引力在数十亿年前的月球上掀起了强大的潮汐，当时月球还很年轻，处于熔融状态。隆起物随后冻结在原地，形成了较厚的地壳和远端独特的地质构造。这个概念对阿萨福格来说毫无意义。“你会在远端和近端都有一个凸起，就像地球上的涨潮一样，”他说。但这个理论的全部意义在于只在远端增加一个凸起。“所以答案肯定是，发生了奇迹，另一半被擦掉了。”这让问题变得更糟了。”

阿萨法格不仅恼火;他的灵感。多年来，他一直致力于开发早期太阳系低速撞击的模型。他说:“人们一直有偏见，只关注撞击，只考虑超速事件。”“人们忘记了物体可以以较低的速度撞击。”这类事件是建设性的，而不是破坏性的:如果两个物体碰撞得足够慢，它们就会碰撞并粘在一起，“就像往房子的墙上扔泥巴，或者向对方扔雪球一样。”阿萨福格一直认为低速撞击，他喜欢称之为“溅射”，可以解释彗星的形成。突然，他意识到月亮问题的解决方案就在他面前。他抓住了自己的博士后马丁·彻兹(Martin Jutzi，现任职于伯尔尼大学)，详细阐述了自己的想法。如果地球本来就有呢两个卫星，后来才合并成我们知道的那个?

“研讨会结束后，我们马上去了实验室，马丁记录了月球被伴星撞击的情况，”阿萨福格说。这些计算的结果是对月球不对称性的一种新的解释。在阿萨福格看来，杂乱的月球高地是第二个环绕地球的月球的残骸，被粘贴在月球表面。难怪月球背面看起来像另一个世界;它是一个不同的世界。新模型提供了月球古代起源和现代外观的综合描述，但要解释这一概念，还不止于此。它展示了行星形成过程中一个更广泛的，也被大部分人忽视的过程：两个天体在一个吻中相遇的温和碰撞。

l和大多数科学理论一样，阿萨福格的大Splat模型是在先前研究的大理石上雕刻而成的。事实上，关于月球起源的第一个真正科学的描述也以两个世界之间的相互作用为中心，但它设想的是分离而不是结合。1878年，查尔斯的儿子乔治·h·达尔文提出，月球是从快速旋转的新生地球上甩出去的，就像一个任性的孩子从旋转木马上掉下来一样。他推测，我们星球上缺失的那一大块显然仍是太平洋盆地。

“裂变假说”存在了很长时间。我记得小时候读过有关阿波罗计划的书籍，我从哥哥那里继承了阿波罗计划之前的科学书籍，这些书比月球3号早几年出版。但从动力学的角度来看，这行不通。没有一种貌似合理的方法能让地球旋转得足够快，从而抛弃它的部分表面，即使有，也没有办法吸走足够多的角动量，以匹配地球和月球目前的物理状态。至于太平洋，它是一种短暂的特征，只与大陆的现代构造有关。大约44亿年前，月球形成时，太平洋还不存在。(对达尔文宽容点;他的理论比板块构造的概念早了近90年。

但它没有回答摆在我们面前的一个重大而又闪亮的问题:月亮到底为什么会这样看起来像这样？

随后又出现了其他关于月球起源的故事，每个故事都假设了地球和月球之间不同的关系，每个故事都有自己的致命缺陷。美国天文学家T.J.J.西提出，月球是作为一个独立的行星形成的，然后被地球捕获到轨道上。缺点:我们星球的引力不够强，设不了陷阱。其他一些研究人员，其中最健谈的是法国数学家爱德华·罗奇(Edouard Roche)，认为月球和地球在早期的太阳系中是并合在一起的。缺陷:当地球化学家开始挖掘阿波罗号宇航员返回的842磅的岩石时，他们发现月球的整体组成与地球不同，缺乏容易蒸发的化合物，即挥发物。一个平行的世界应该是一个更接近的匹配。

然而，在许多其他方面，月球的化学成分与地球非常相似——事实上是奇怪地相似。月球岩石中两种不同类型的氧的比例与地球岩石几乎完美匹配。氧比就像一个ID标签，告诉你一个物体在哪里形成。陨石有自己的比例。火星有它自己的比率。月球看起来就像地球的孪生兄弟。现在你知道了:月球和地球一点也不像，只是它也和地球完全一样。另一个更微妙的不对称需要解释。

行星科学家们消化了所有错综复杂的证据，在1975年的两篇开创性论文的启发下，确定了一种新的创世叙述——大碰撞理论。在这个模型中，地球诞生时没有月亮。在它形成后不久，它就与一个火星大小的天体剧烈碰撞，这个天体通常被称为忒伊亚(希腊神话中月亮女神塞勒尼的母亲)。由此产生的地狱蒸发了忒伊亚和地球外层的很大一部分。一些物质被炸到天国，但大部分在受伤的地球周围形成了一个圆盘。在很短的时间内——也许只有十年!——圆盘冷凝形成了月球。

大碰撞理论很好地解释了地月系统的大部分广泛的化学和动力学属性。尽管仍存在不确定性，但它几乎被普遍认为是解释月球存在的最好解释。但它没有回答摆在我们面前的一个重大而又闪亮的问题:月亮到底为什么会这样看起来像这样？

这不仅仅是化妆品的问题。月球人的标记是巨大的黑色冰冻熔岩平原，被称为玛丽亚．出于某种原因，几乎所有的玛丽亚都在近的一边。更普遍地说，早期月球在面向地球的半球火山活动更为活跃。美国国家航空航天局(NASA)的月球轨道GRAIL(重力恢复和内部实验室)任务测量了月球的地壳，并证实了月球远端更厚;航天器还发现近地(仅近地)有一个长长的、线性的、埋藏的特征网络，行星地质学家将其解释为火山岩脉。显而易见的答案是，地球引力是造成这种不平衡的罪魁祸首，但在物理上并没有合理的方法将两者联系起来。

“长期以来，人们一直试图解释这种不对称性。想法不断被提出，他们被踢来踢去一段时间，但往往进展不顺利，”Asphaug说。更常见的是，月亮的双重身份问题被完全置之不顾。去年秋天，加州理工学院(Caltech)的戴维·史蒂文森(David Stevenson)在英国皇家学会(British Royal Society)联合主办了一场关于月球形成的重要会议。他对他的许多同事谈论这个问题的方式感到好笑:“有一个显而易见的问题，但人们有点忽视它，他们都在关注角落里的猫。”

我在许多方面，阿萨福格的模型是月球形成的主流观点的有机延伸——事实上，是当前关于行星如何形成的整个思想的有机延伸。新生的太阳系从尘埃到岩石再到小行星再到行星逐渐形成，所有这些都在一个围绕着新生的太阳旋转的圆盘内，开始于45亿年前。从对陨石的分析到对其他新生恒星周围类似圆盘的观察，大量的证据证实了这个说法。当行星聚集在一起时，越来越大的物体不得不相互碰撞。阿萨福格指出，其中一些碰撞必须发生得足够温和，以至于两个物体被粘在一起，形成一个更大的物体。否则行星就会停止生长，我们的太阳系就会变成一堆破碎的碎石。

阿萨福格的整个职业生涯都在探索碰撞过程的微妙之处，首先是在圣克鲁斯，从2012年开始，在他现在的家，亚利桑那州立大学。多年来，他对主流的大碰撞模型做出了重大贡献，帮助完善了忒伊亚作为火星大小的闯入者的主流模型。他说，在这个过程中，“我意识到，增生是不完美的，也是复杂的。”他开始对他所谓的“几乎吸积”事件感兴趣，即两颗行星不完全碰撞;他开始把“大碰撞”看作是一系列可能发生的碰撞中的一个例子，从松散的合并到碰撞后逃逸的碰撞，在这些碰撞中，两颗行星都幸存了下来，基本上完好无损。

“我在研究生院的最大学习经历是，意识到在探索行星科学的知识极限之前，你所需要做的事情是多么的少。这不像物理学，物理学中有400年的东西，你必须通过，才能找到一个新的和未解决的问题，”阿萨福格说。“在行星科学中，有很多基本问题没有好的答案。你开始说，‘你是这么想的?真的？好吧，我也有个主意。’”

他在研讨会上的顿悟让阿斯法格开始思考“大碰撞”之后发生了什么。行星科学家通常认为，大火中出现了一颗卫星，但这不是唯一的可能性。阿萨福格关于两颗卫星出现的想法与他对彗星的计算机建模完美吻合。“我们心里有分歧。这是一种巧合，”他说。

不是一个月亮，而是两个?一场天体撞击造成了山崩而不是灾难?好吧，我们回头再联系你。

哈佛大学的Matija Cuk已经推测出第二颗卫星可能来自哪里，填补了第二幅图景。Cuk指出，当巨大的撞击产生了一个巨大的、围绕地球的汽化岩石环时，在同一轨道上有两个稳定点，分别位于月球前方60度和后方60度。这些斑点就像重力潮汐池，是第二个更小的物体可能形成的平静位置。Cuk没有给这个伴星起名字，但为了清晰起见，我将它命名为恩底弥翁，以希腊神话中塞勒妮的情人命名。

起初，月亮和恩底弥翁和平共处，但随着时间的推移，事情发生了变化(这在恋爱关系中经常发生)。引力相互作用导致主月球螺旋远离地球，改变了整个系统的动力学。恩底弥翁失去了稳定的栖木，坠入了爱人的怀抱。卡克的理论是恩底弥翁最终解体，像小行星上的冰雹一样落在月球上。阿萨福格看到了完全不同的可能性。

“当物体共同绕轨道运行时，它们以相当缓慢的速度撞击对方，撞击速度与物体坠落的速度差不多，所以不会产生冲击或大量融化，”阿萨福格说。“不要把这看作是一次巨大的撞击，它更像是一次宇宙滑坡。这将是你能想象到的最大的山体滑坡之一。”在后期，恩底弥翁的残骸会以每秒几百米的速度下落，仅仅是1/100^th一开始让整个过程滚动的巨大撞击的速度。

“如果你进行计算，你会在撞击器撞击的地方得到一个凸起；它是一个由密度稍低的材料制成的增厚的外壳，”Asphaug说。他的模型中凸起的形状与月球远端实际地壳的形状相匹配。他估计Endymion需要大约621英里（1000公里）宽才能计算出额外地壳的质量；这是一个合理的尺寸，大约是现代月球直径的四分之一。这样一个小天体将在1亿年内冷却成坚硬的岩石，这大约是Endymion变得不稳定的年龄。当它崩落到月球表面时，它会形成一个半球宽的碎石场，很好地解释了月球远端较厚的地壳。

这场大规模的暴动还带来了其他有趣的后果。Asphaug指出，降落在月球一个半球上的所有岩石的重量都会压缩富含放射性元素的熔融物质，并将其推向另一个半球，“因此它不仅造成地壳不对称，还造成热不对称。”月球一侧的热集中也会导致其膨胀，建造圣杯号飞船看到的堤坝。瞧：远侧厚厚的地壳，近侧的火山活动，以及神秘的月球堤坝，都可以用一笔解释。

阿萨福格不太相信大Splat能完全解释这一令人震惊的不对称，这一不对称引发了整个对话，即月球近侧的黑色标记集中。“这有点牵强，”他承认，因为熔岩流创造了月球玛丽亚很久之后爆发，大约在月球形成10亿年之后。但是，通过解释远端较厚的地壳和近端较高的内部热量，他的模型至少为熔岩倾向于一个半球而不是另一个半球建立了正确的条件。

T我越听阿萨福格的话，他听起来就越有说服力。尽管大Splat不能解释月球失衡的所有异常，但它确实涵盖了很多异常。但在月球科学以冰川速度发展的世界里，阿萨福格的想法到目前为止还反响平平。不是一个月亮，而是两个?一场天体撞击造成了山崩而不是灾难?好吧，我们回头再联系你。

普渡大学(Purdue University)资深行星科学家、GRAIL小组成员杰伊·梅洛什(Jay Melosh)提出了一个担忧，即月球近地侧的地壳密度与远地侧相同。恩底米翁可能只是与月球表面的密度相同，但多样性的缺乏“至少使阿萨福格大Splat模型更难维持，”他说。史蒂文森同样谨慎。他说:“我不认为它有说服力，但我不会排除它。”“它并不是我们所认为的巨大撞击后自然产生的。”像Cuk这样的动力学专家更支持这个模型。最后，尽管，最主要的批评不是没有任何证据可以反驳大飞溅——真的没有——而是没有足够的唯一证据来支持它。

埃斯帕格是同情。“我们可能有一种假说，可以解释很多事情，但相对来说是无法验证的，”他说。“我们现在急需数据。”未来的一种方法是在月球上建立一个地震台网，这样就有可能读取月球内部结构记录的完整历史。无论大碰撞(如果有的话)和随后的大Splat(同上)期间发生了什么，一定在内部留下了深刻的印记。两年后，美国国家航空航天局(NASA)将发射InSight，这是一个用于火星的高精度地震观测站，但每一个发射类似任务到月球的提议都被否决了。“这是对美国在20世纪70年代刚刚结束登月任务的悲哀评论，”阿萨福格说。“我认为，最终得到答案的将是中国人。”

根据阿萨福格的说法，人类在月球上的最终信息是，行星的形成是草率的、创造性的、极其多样化的。

幸运的是，这个忧郁的音符并不是故事的结尾，因为还有另一种方法——一整套方法来测试Asphaug的模型，并了解行星和卫星是如何形成和演化的。他指出，“几乎是吸积”事件的证据可能就在我们周围。彗星可能保存着古老的层状散斑结构；欧洲航天局的罗塞塔任务现在正在前往丘里莫夫·格拉西门科彗星的途中，将能够进行观察。冥王星和它的大卫星卡龙可能是在一次类似于形成地球卫星的巨大撞击中形成的。新地平线号飞船将在2015年进行近距离飞行。火星有其独特的南北不对称性，InSight探测器将帮助调查撞击是否也应归咎于此。

随着阿萨福格继续运行他的模型，他不断提出更多的地方进行调查。在去年发表的一篇论文伊卡洛斯他认为，土星的复杂卫星系统可能是多次撞击和合并的结果，这是月球形成过程的一个更复杂的版本。他最新的观点(目前正在出版中)是，水星在形成过程中遭遇了一次或多次“撞后逃命”的撞击，这就解释了它高密度、富含铁的结构以及在其灼热的地壳中不可思议地存在水的原因。

根据阿萨福格的说法，人类在月球上的最终信息是，行星的形成是草率的、创造性的、极其多样化的，而他的大多数同事都忽视了这一点。他想确保他没有错过任何一部分。“有了现代计算机代码，我们可以探索一个非常大的参数空间，”他带着2010年推动他进入实验室的极客热情说。“乐趣永远不会停止。”

科里·s·鲍威尔是《纽约时报》的特约编辑发现他在该杂志上撰写专栏和博客，并担任该杂志的代理编辑美国的科学家。他也是Twitter的后来者:@coreyspowell