臺北市立天文科學教育館

長久以來，月球起源的主流模型認為，約45億年前，一顆火星大小的天體「忒伊亞」（Theia）撞擊早期地球，撞擊產生的大量岩石與熔融物質進入地球周圍軌道，形成原始月球碎片盤，再經由物質逐步聚積形成月球。然而，美國西南研究院（Southwest Research Institute）與亞利桑那大學合作的一項最新研究指出，過去的模擬往往將碰撞天體的「材料強度」視為可以忽略的因素，這可能改變我們對月球形成過程的理解。研究團隊首次在月球形成的巨大撞擊模擬中納入與溫度相關的材料強度，發現忒伊亞自身的地質性質會明顯影響撞擊後的物質分布與月球形成方式。

圖說：一顆火星大小的天體與地球發生巨大碰撞後，月球的形成方式發生了根本性變化。忽略強度的模擬結果（上圖）顯示，月球形成於一個逐漸形成的碎片盤中；而考慮強度的模擬結果（下圖）則顯示，月球最終會完整地形成。圖片來源：西南研究院

研究團隊首先比較完全相同的撞擊條件，只改變是否考慮材料強度。在約2,000 K、仍大致保持固態的高溫條件下，若忽略材料強度，忒伊亞約91%的質量會被地球吸積，剩餘物質形成以熔融物為主的碎片盤，月球則需在後續數十小時甚至更長時間內由盤內物質逐漸聚積；但當模型加入材料強度後，忒伊亞在撞擊過程中的變形方式發生改變，部分物質可保持大型完整殘體，其中一個殘體最終被捕獲至地球軌道，形成近乎完整的月球。模擬顯示，這個衛星殘體在撞擊後約5小時便開始與地球形成獨立軌道，而在後續潮汐作用下仍能維持完整。

研究進一步測試約400、800及2,000 K三種初始表面溫度，且全部納入材料強度，結果顯示「越冷越容易形成完整月球」或「加入強度就一定能形成完整月球」都不正確。約400 K的寒冷情況下，忒伊亞較為強韌，撞擊後大部分仍保持完整並重新撞回地球，只有少量物質形成碎片盤；約800 K時，忒伊亞變形程度增加，可形成一個較小的衛星殘體，但其軌道過於接近地球，後續受到潮汐作用而在約12小時後瓦解。反而在約2,000 K、接近熔融但仍保有部分材料強度的情況下，忒伊亞會發生更充分的整體變形並分裂成大型殘體，其中較外側的殘體可經歷與地球的近距離交會後存留下來，最終形成穩定的完整衛星。

這項研究的重要意義，在於月球最初究竟是由撞擊碎片逐步聚積而成，還是可能以一個大型、近乎完整的天體直接進入地球軌道，或許與撞擊當時地球及忒伊亞的熱狀態有關。由於原行星在形成初期通常較熱、之後逐漸冷卻，因此研究結果建立了撞擊時間、天體熱狀態與月球初始形成方式之間的新關聯：較早發生的撞擊可能具有較高溫度，使忒伊亞更容易發生劇烈變形；較晚發生的撞擊則可能面對較冷、較強的忒伊亞。不過，研究也顯示完整衛星的形成對撞擊角度、速度及熱狀態相當敏感，因此目前仍不能據此確定月球究竟是在何時、以何種方式形成。另一方面，模擬中的衛星主要由忒伊亞物質組成，而地球與月球目前高度相近的同位素組成仍是月球起源研究中的重要未解問題。

（編譯／吳典諺）

資料來源：Southwest Research Institute