月球的形成

在冥古宙早期，即地球刚刚形成的阶段，其所在轨道上仍然存在着大量的残余物质。这些物质不仅仅包括尘埃和小碎片，还有一些较大的行星胚胎。它们在引力的作用下相互扰动，导致轨道发生变化，在数百万年到数亿年的时间尺度上，碰撞时而发生。 我们今天地球的唯一自然卫星——月球，就是在这样一个混乱的环境中诞生的。

早期地球轨道与拉格朗日点

地球，在经历了从太阳系尘埃逐渐汇聚为微行星，再进一步成长为行星胚胎的过程之后， 已经成为一个具有显著引力的天体。 它围绕太阳运行，在轨道上不断与周围残余物质发生碰撞。 这些碎片，有的被地球吸引并融入自身，有的则在引力作用下被抛向更远的轨道。 随着时间推移，地球逐渐清理出一条相对“干净”的轨道区域。

然而，这条轨道并不只有地球一个主导者。 在太阳引力主导的体系中，存在一些特殊的位置，使得一个较小天体可以与地球共享轨道，而不会立即发生碰撞。 其中最重要的，就是所谓的拉格朗日点（Lagrange points）。 ¹ What are Lagrange points?
ESA (2023)

拉格朗日点是指在一个双体系统中，例如地球和太阳系统，引力与离心效应达到平衡的五个特殊位置。 在这些位置上，一个较小的天体可以相对稳定地存在，而不会被两个主导天体的引力直接拉向其中一个。这些位置被称作拉格朗日点 （Lagrange points），分别为 L1、L2、L3、L4 和 L5 点。

其中的 L4 和 L5 点 尤其重要。 它们位于地球轨道前后约 60° 的位置，形成一个等边三角形，太阳、地球和这个点上的天体构成一个稳定的系统。而其他的拉格朗日点，如 L1、L2 和 L3 点，则位于地球和太阳之间或地球的另一侧，这些位置相对不稳定，天体在这些点上很难长时间停留。当天体在L4或L5点上时，来自太阳和地球的引力与离心效应相互抵消，使得这些位置成为相对稳定的“引力驻点”。在早期太阳系中，这些位置就像是轨道上的“停泊区”，可以聚集并维持较长时间的物质。 由于这些特殊区域的存在，加之早期太阳系中的丰富物质，使得这个区域逐渐孕育了另一个行星胚胎。

同轨上的另一个行星胚胎—忒伊亚

忒伊亚 (Theia)曾是一个与地球在同一轨道上存在的行星胚胎。今天它已经“不复存在”，至少不是单独作为一个天体存在，在与地球碰撞之后形成月球之后，它的物质已经完全融入了地球和月球中，成为它们的一部分。但在数十亿年前，它曾是地球轨道上的一个重要角色。

它与地球类似，同样由尘埃逐渐汇聚形成。其体积大约是火星的大小。 它的组成与地球相似，主要由岩石和金属构成。 它在与地球相同的轨道上不断的吸引和清理周围的物质。它可能最初形成在地球的拉格朗日点附近，尤其是L4或L5点，这些位置相对稳定，适合行星胚胎的形成和存在。

忒伊亚的名字来源于希腊神话中的一位泰坦女神，她是太阳神赫利俄斯（Helios）、月亮女神塞勒涅（Selene）和黎明女神厄俄斯（Eos）的母亲。这个名字被用来命名这个行星胚胎，是因为它在地球轨道上与地球共存，类似于希腊神话中忒伊亚与她的子女之间的关系。

轨道的失稳

地球与忒伊亚在同一个轨道上，在相当长的一段时间内同时存在。即两个行星胚胎共享同一个轨道，同时围绕太阳运行。 在这样的情况下，这种共轨运行可以和平的持续数千万年。 ³ Possible origin of Theia, the Moon-forming impactor with Earth
Dvorak, R. and Loibnegger, B. and Maindl, T. I. (2017)
Astronomische Nachrichten
DOI: 10.1002/asna.201613209 但是随着木星的引力扰动，也有可能是其他行星的引力扰动，或者是它们之间的相互引力， 导致了它们的轨道逐渐失稳。 ³ Possible origin of Theia, the Moon-forming impactor with Earth
Dvorak, R. and Loibnegger, B. and Maindl, T. I. (2017)
Astronomische Nachrichten
DOI: 10.1002/asna.201613209 当忒伊亚离开原本的稳定位置时，它不再只是地球轨道上的“共存者”。 它开始进入与地球交叉的轨道路径。

从这一刻起，碰撞不再是一个可能性，而只是时间问题。

大碰撞

根据今天的观测和模拟，忒伊亚与地球的撞击并不是正对的，而是以一个倾斜的角度发生的。但是它仍然与擦边碰撞不同，后者是两个天体在接近时发生的擦边碰撞，并不发生深度的物质交换。而地球与忒伊亚的碰撞则是一个真正的碰撞，两个天体的物质发生了剧烈的混合和交换。 它们以大约10公里每秒的相对速度碰撞。这个速度所产生的能量大约可以按照如下的公式计算：

其中，$m$ 是碰撞物体的质量，$v$ 是它们的相对速度。 对于一个火星大小的天体，质量大约是地球的十分之一，约为 $6 \times 10^{23}$ 千克。以10公里每秒的速度计算，碰撞释放的能量大约为 $3 \times 10^{31}$ 焦耳。 相当于造成恐龙灭绝的那次小行星撞击能量的数亿倍。

在如此巨大的能量作用下，固态的岩石不再保持原状。地球与忒伊亚的外层物质在瞬间被加热，熔化，气化。原本分层的地球结构也再次被剧烈扰动。 这一过程很可能在地球表面形成了一片全球性的岩浆海洋（magma ocean）。

同时，大量的物质被抛入太空，其中一部分由于地球引力的束缚， 形成了一个由岩石和金属碎片组成的环绕地球的碎片盘。

月球的形成

在撞击之后，环绕地球的碎片盘并不会一直保持混乱状态。 在地球引力的控制下，这些被抛射到轨道上的物质开始逐渐重新组织。 与地球的形成类似，月球的形成也是一个从尘埃到星球的过程。在碰撞之后，碎片盘中的物质开始相互吸引，逐渐聚集成更大的块体。随着时间的推移，这些块体继续碰撞和合并，最终形成月球。这个过程可能很短，可能仅仅数千年，月球就已经形成了。 ⁴ Lunar accretion from a Roche-interior fluid disk
Salmon, J., Canup, R. M. (2012)
The Astrophysical Journal
DOI: 10.1088/0004-637X/760/1/83

在月球刚刚形成的时候， 其与地球的距离比现在要更近。大约是地球与月球现在距离的三分之一 ⁵ Simulations of a late lunar-forming impact
Canup, R. M. (2004)
Icarus
DOI: 10.1016/j.icarus.2003.09.028 。 随着时间的推移，月球逐渐远离地球。在今天，通过激光测距实验可以精确测量这一过程，月球正以每年约3.8厘米的速度远离地球。 ⁶ Lunar Laser Raning: A Continuing Legacy of the Apollo Program
Dickey, J and Bender, P. L. and Faller, J. E. and Newhall, X. X. and Ricklefs, R. L. and Ries, J. G. and Shelus, P. J. and Veillet, C. and Whipple, A. L. and Wiant, J. R. (1994)
Science
DOI: 10.1126/science.265.5171.482

撞击对地球的影响

这次撞击对地球的改变是巨大的。首先， 是能量的变化。撞击所带来的能量，足以让整个地球的表面完全熔化，形成一个全球性的岩浆海洋。在撞击之前所形成的地壳结构，在这次事件中被彻底破坏，地球表面的演化几乎被“重置”了。 同时，地球的自转也发生了改变。撞击带来了巨大的角动量，使得早期地球的自转速度远快于今天，一天的时间可能只有几个小时，而一年则有一千多天。 在随后的数十亿年中，由于月球的引力作用，地球的自转逐渐减慢，一天的长度逐渐增加，最终形成了我们今天所熟悉的24小时一天。

更重要的是，月球的存在帮助稳定了地球的自转轴。一切的星体都在自转。 地球在忒伊亚撞击之前也在自转，但是其自转的轴可能非常不稳定。即地球的自转的方向总是在不断的变化。在月球形成之后，其引力作用帮助稳定了地球的自转轴，使得地球的自转轴保持在一个相对稳定的角度上。 当地球的自转轴稳定下来时，变化开始变得有规律。 阳光不再以混乱的方式落在地表，而是形成周期性的变化。 这就是四季的起源。 每一年，地球上的每一个区域都以可预测的方式获得能量。 这种规律，并非静止，而是一种动态的稳定。 我们今日地球上的生态系统，完全依赖于这种稳定的变化。

重生之后

从宇宙中的微小尘埃，到一颗炽热的行星。 从一次毁灭性的撞击， 到一个稳定的地月系统的形成，地球完成了其从混沌到秩序的转变。月球的引力在这一过程中起到了关键的稳定作用，它稳定了地球的自转，使的地球的环境开始形成了一种动态的稳定。它围绕地球运行，成为了地球今日唯一的自然卫星，也是距离地球最近的天体。

在撞击之后，地球仍然是一片炽热的岩浆海洋， 大气尚未形成，海洋也尚未出现。 真正决定地球命运的过程，才刚刚开始。