作者：haibareamily
編輯：Yuki
我們的月球，已經默默陪伴地球度過了四十多億年時光。人們無時不刻關注著月球，想要揭開她誕生以及演變的祕密。
今天（北京時間2019年7月11日），澳門科技大學月球與行星科學國家重點實驗室的祝夢華副教授及其同事，在《自然》雜誌發表了他們的最新成果[1]，重新追溯了月球早期的演化歷史。
先天貧“鐵”的月殼幔
人們發現，當今月球的外層（殼幔層）是極度貧“鐵”的，更準確的說，是缺少鐵鎳金屬以及高度親鐵的元素。它和其他大型固態天體一樣，都經歷過早期的“熱分異”過程，全球都是熾熱的“岩漿海洋”，原本的親鐵元素都隨著較重的鐵鎳金屬一起“沉”入了內部，形成內核。
這也是我們熟悉的水星、金星、地球、月球和火星有金屬核的原因。
大型巖質天體熱分異的大致過程。又雙叒叕見這張萬能的圖orz | 製圖：haibaraemily
而且，月球先天鐵就很少。人們早就發現，同樣是固態天體，月球的密度卻只有地球的60%，究其原因，其實就是月球的鐵核相比於地球要小得多。這一顯而易見的事實也是支持月球大撞擊起源的一大有力證據。
大撞擊假說（Giant Impact Hypothesis）是迄今為止最被廣為接受的一種月球起源學說。
45億年前的一天，一顆火星大小的天體從天而降，傾斜撞向了尚未完全長成的“雛形”地球。劇烈的撞擊迅速粉碎和融化了這個火星大小的天體，也把地球的一部分物質撞了出來。這些碎屑物質散落在地球四周，又通過引力和碰撞重新聚集吸積起來，形成了如今的月球[2, 3]。
大撞擊假說的假想圖| 來源：museumvictoria.com.au
如果這個假說是真的，那麼大撞擊發生的時候，地球應當已經完成了熱分異——也就是說，地球內的鐵核已經形成了。而這次大撞擊只是剝下了一部分貧鐵的地殼和地幔而已，這些物質再和原本可能攜帶著正常鐵含量的撞擊體碎屑一混合，就把月球的鐵含量生生給拉低了。
不過，“先天貧鐵”未必會讓月殼幔的親鐵元素比地殼幔低很多——因為成形之後的月球也必定經歷了熱分異，親鐵元素也基本上被“拖”入了內核。簡單來說呢，就是月殼幔的親鐵元素含量和地殼幔裡的應該差不多，基本都沒剩什麼。
但事實並非如此，來自月球和地球岩石樣本都顯示，月殼幔和地殼幔裡都還是有一定含量的親鐵元素的。
這又是咋回事？
後期吸積，還能再補救一下
原因很簡單：因為它們並不是在40億年前左右完成了熱分異就完事兒了，大家都還在不斷“進化”。沉進去自然是留不下來的，但是還可以從外界補給呀。
在地核和月核形成之後，太陽系內的劇烈撞擊並沒有停止，大量的小行星和彗星不斷撞擊地球和月球的表面，給它們帶來了大量外來“補給”，其中就可能有水和有機物，也會帶來各種親鐵元素——這個過程叫作“後期吸積”。
也就是說，月殼幔和地殼幔裡的親鐵元素含量很大程度上反映的並不是它們的原生含量，而是後期吸積過程的結果。
那麼月球和地球在後期吸積過程中獲得的“補給”是一樣多的麼？當然不是。
即使它們一直受到相同類群的小天體撞擊，被撞上的概率也是完全不同的——地球的引力更大，也就更容易被撞上，這個“難易”比例大約是20:1 [4]。被小行星撞上，對如今的我們來說不是什麼好事，但對40多億年前的地球來說，卻是帶來活力和生命之源的“天降寶藏”。
照這個比例來粗略估算的話，地球后期受到的撞擊“補給”大約是月球的20倍。
然而，通過月球和地球岩石樣本里的高度親鐵元素含量來反推的結果完全不是這樣：如果我們假設這些外來的撞擊體平均成分和太陽系中最為廣泛存在的一種古老隕石——球粒隕石的成分差不多，那麼地球后期受到的“撞擊補給”可比月球多多了——大約是月球的1200倍[5]！
動力學撞擊概率與地球化學測量，差異如此之大，到底哪裡出了問題？
一個很自然的推理是：會不會地球實際受到的撞擊比理論估計的要多得多？除了原本因為引力差異造成的20倍差異之外，會不會還有某些尺寸的小行星因為某種原因特別喜歡撞地球？或者，會不會是地月系統受到的小行星撞擊量曾經發生過突變？[5-7]
而祝夢華及其同事則給出了另一種可能的思路：未必是對“補給”量的估計出了問題，也可能是對“留存”量的估計出了問題。
來是來了，但未必都能留下
撞上地球和月球的撞擊體（小行星/彗星）都能留下來麼？地球的引力大、逃逸速度小，基本都能留下來，但月球的“留貨”能力可就差多了。之前的估算一般認為地球的留存率是百分之百，而月球的留存率大約在50-60%[5, 7]，至於實際是多少，其實誰也不知道……
為此，祝夢華及其同事們通過計算機模擬了不同速度不同角度的撞擊下月球的“留貨”能力撞擊物的留存比例，結果表明：
- 高入射角（直射）的撞擊比低入射角（傾斜入射）的留存比例高；
- 大撞擊體則比小撞擊體的留存比例低。
以15 km/s的撞擊速度為例，不同入射角和大小的撞擊體留存在月球上的質量比例。來源：[1]
這倒也挺符合我們的直觀感受的。
低入射角（傾斜入射）的撞擊體，撞完之後的撞擊體物質會散的更開，再加上月球的引力又小，逃逸速度也小，這些散開的撞擊體物質就更容易逃離月球，只有很少一部分能留下來；反過來，高入射角（直射）的撞擊體就給力多了，撞完之後的撞擊體物質會更集中，跑掉的也少得多。
低入射角（傾斜入射）和高入射角（直射）撞擊的物質分佈對比示意圖。來源：Nature [8]
大撞擊體會產生規模更大、更猛烈的撞擊，撞擊體物質也能獲得更高的能量（速度），更容易跑掉。
但每顆撞來的小行星/彗星的大小、速度都是隨機的，對月球來說，撞擊體的整體留存比例是多少呢？這就需要更大量的模擬實驗了。
通過蒙特卡洛算法（一種通過大量重複計算機實驗來模擬隨機事件的方法）模擬了數百萬次小天體在月球表面撞擊成坑的過程，祝夢華及其同事們得到了其中的統計規律：
月球歷史上的撞擊物質留存比例大約在0.2-0.35之間，也就是說，只有約20-35%質量的撞擊物最終留在了月球上——遠低於之前認為的0.5-0.6。
啥時候開始“留貨”，
可能和岩漿海洋的持續時間有關
而更準確的比例，則取決於月球的殼幔到底從何時開始留存這些撞來物質：如果是從月殼形成之初開始（約44.6億年前），那麼平均留存比例只有0.2，而如果是從35億年前才開始的話，平均留存比例就能提升到0.35——越早開始，留下的總體比例就越少。
不同的“留貨”起始時間至今的平均撞擊體留存比例。來源：[1]
這也是和我們對月球的認知吻合的。
早期的太陽系裡有很多大型撞擊體（比如當年產生月球的撞擊體，就有如今的火星那麼大），但慢慢的，太陽系裡逐漸趨於寧靜，撞擊體的個頭和頻率都變小了很多（所以現在地球上的我們基本不用擔心被超大的小行星撞到啦）。最直觀的例子，月球上目前保留下來的幾十個大型撞擊盆地，全部都形成於38億年前，之後再也沒有這麼大的“飛來橫禍”了。前面說過，越大的撞擊體，留存比例越低，所以如果月球的殼幔很早就開始留存撞擊物質，那麼早期這些超大個兒的撞擊體自然就會拉低月球的平均“留貨”水平啦。
事實上，如果月殼幔從月殼剛開始形成（44.6億年前）就拼命“留貨”的話，按這個比例反推的地球后期受到的“撞擊補給”就只有月球的約50倍了，和動力學估算的撞擊概率（20倍）已經差不多了。
而如果月殼幔從43.5億年前才開始“留貨”的話，這兩種途徑估算的比例就更是幾乎完全能吻合上了。
等等，那更早撞上月球的物質裡的親鐵元素去哪兒了？那時候岩漿海洋還沒完全固化，所以這些親鐵元素直接就沉入月核或者留在月幔深處了，沒能在後來形成的殼幔中倖存。
也就是說，這一結果也表明月球的岩漿海洋結晶階段可能持續了很長時間：從44.6億年前剛開始形成月殼，一直持續到43.5億年前才幾乎完全固結（經歷1億多年）。
月球早期可能沒少挨撞
如今的月球，還可以找到大約40-90個盆地或者疑似盆地結構。
月球上目前保存下來的盆地或者疑似盆地結構。來源：LPI [9]
但祝夢華及其同事們的模擬結果表明，整個月球歷史上可能曾經產生過約300個撞擊盆地（直徑大於300公里的撞擊結構）。
只不過，約200個都是形成於43.5億年前，那時候岩漿海洋還沒完全結晶固化，這些盆地自然也很難保存下來；約90個形成於41.5-43.5億年前，這些古老的盆地也相對容易被侵蝕和“抹去”；只有約20個盆地形成於41.5億年前到現在這段時間——這麼算下來，300個盆地，只有50-70個能保存至今，和目前我們在月球上發現的盆地數目是吻合的。
總之，考慮到這屆月球的“留貨”能力不太給力，其實月殼幔中的親鐵元素含量那麼低並不意味著月球受到的撞擊特別少（或者說地球受到的撞擊特別多）。恰恰相反，月球早期可能比人們原本預想的受到了更多的撞擊，只是那些撞擊帶來的“補給”大都沒有留下來。
結 語
今年是人類登月50週年。不得不承認，50年後的今天，我們對月球的很多方面依然瞭解有限，我們對月球的很多研究，依然要依靠50年前那些阿波羅任務帶回的珍貴月球岩石樣品（當然蘇聯的月球號樣品和一些月球隕石也起到了很大作用）。
在極其有限的月球樣品的制約之下，行星科學家們搜索枯腸，極盡巧思，利用新時代的科學工具和方法展開了各種研究，揭開了諸多關於月球的祕密。本文介紹的研究工作就是這樣的一個例子。但不得不承認，這樣的研究也亟待更多、更豐富的就位分析和樣品採集來驗證和拓展。
幸運的是，我們或許即將迎來新一輪探月熱潮：我國的嫦娥四號如今正在月球表面展開探測工作，接下來的嫦娥五號、六號都將前往月球採集並帶回樣本。印度的月船2號、日本的SLIM任務，也計劃著陸月球表面進行深入探測。
相信不遠的將來，我們對月球早期塵封的歷史會有更多更深入的認識。
致謝
本文感謝該研究的第一作者和主要完成人，祝夢華副教授的審稿。
作者名片
題圖來源：Nature
參考文獻：
[1] Zhu, M. H., et al. (2019). Reconstructing the late-accretion history of the Moon. Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-019-1359-0
[2] Hartmann, W. K., & Davis, D. R. (1975).Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515.
[3] Canup, R. M., & Asphaug, E. (2001). Originof the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation. Nature,412(6848), 708.
[4] Bottke, William F., et al. "Can planetesimals left over from terrestrial planet formation produce the lunar Late Heavy Bombardment?." Icarus190.1 (2007): 203-223.
[5] Bottke, W. F. et al. Stochastic late accretion to Earth, the Moon, and Mars. Science 330, 1527–1530 (2010).
[6] Schlichting, H. E., Warren, P. H. & Yin, Q.-Z. The last stages of terrestrial planet formation: dynamical friction and the late veneer. Astrophys. J. 752, 8–16 (2012).
[7] Morbidelli, A. et al. A sawtooth-like timeline for the first billion years of lunar bombardment. Earth Planet. Sci. Lett. 355-356, 144–151 (2012).
[8] Day, J. M. D., (2019). Low retention of impact material by the Moon. Nature.
[9] https://www.lpi.usra.edu/exploration/training/illustrations/bombardment/
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