45 億年前，地球與天體間的一次大碰撞產生了月球。通過對月球巖石樣品的鉀同位素分析，科學家為我們描繪出這一過程的宏偉畫面。

45 億年前，剛剛誕生的地球多次遭受來自其他天體的撞擊，而在其中一次大碰撞中，一個行星胚胎與地球相撞，產生了地球唯一的衛星——月球。但是，關于月球起源的諸多謎團一直有待破解。這個行星胚胎是以什么樣的方式撞向地球的?月球的物質來源又是什么?破解這些謎團的線索就藏在月球土壤之下的巖層中。任職于美國華盛頓大學(圣路易斯)的王昆與合作者在《自然》(Nature)上發表文章，通過研究鉀同位素證明，這次碰撞是一次高能量、高角動量的劇烈撞擊過程。

傳統模型認為，低速運行的天體與地球發生低角度碰撞時，原始地球的結構基本不受破壞，而月球的物質主要來自碰撞天體。但是，近期的氧同位素研究對這一觀點提出了挑戰。在太陽系中，由于起源各不相同，各天體的氧同位素(Δ17O)數值差異明顯。而研究發現，月球巖石與地球的 Δ17O 一致，這意味著碰撞天體與原始地球的物質很可能在碰撞過程中混合在一起，月球由混合后的物質組成。

但是，要想驗證該結論的正確性，并揭示具體的碰撞過程，地球化學家仍需找到更多的證據，而鉀同位素因揮發性適中受到關注。揮發性較低的元素在碰撞過程中難以出現同位素分餾，而揮發性過高的元素在后期的火山噴發等過程中仍能發生分餾，因此也難以保留碰撞時的信息。因此，具有中等揮發性的鉀就成了破解月球形成過程的關鍵。

結果顯示，地球巖石與球粒隕石的鉀同位素值幾乎一致，而月球巖石的鉀同位素值卻普遍高出 0.4。也就是說，在大碰撞過程中，鉀同位素發生了分餾，組成月球的物質所含的鉀元素更重。

是什么樣的過程讓更重的鉀優先進入月球中?在高溫環境中，唯一可以導致鉀同位素分餾的機制稱為瑞利分餾——例如雨滴從大氣中凝聚并落下的過程，當產物從開放的氣態體系中不斷凝聚出來時，較重的同位素更易析出。在碰撞天體與地球物質共同構成的氣態體系中，包含著更重的鉀同位素的產物不斷凝聚出來，最終冷卻并形成月球。

可以確定的是，在碰撞過程中，原始地球的大部分物質與碰撞天體共同構成了這些氣體。由于瑞利分餾的系數取決于環境壓強，通過對同位素值的分析計算，王昆推斷，碰撞產生的環境壓強在 10 個大氣壓以上。

據此，研究人員構建了一幅高能量、高角動量的碰撞圖景。在早期太陽系中，大量星云經碰撞、吸積形成大小不一的天體，其中一個在地球剛剛形成不到 100 萬年時，高速徑直撞向原始地球，碰撞傳遞的巨大能量使地球系統飛速旋轉。在強大離心力的作用下，地幔、大氣層和碰撞天體形成混合均勻的氣態體系，氣體延伸至洛希極限以外——此時，地球的衛星可以形成，并且不至于因潮汐作用而被撕裂。即使是在這片遠離碰撞現場的地方，環境溫度還是可以達到 3,700℃，壓強也有約 20 個大氣壓。在幾十年的時間中，氣體中的物質通過瑞利分餾不斷析出，構成熔融的天體。隨著該天體不斷吸積增長并冷凝，這顆衛星最終在距地球 38 萬千米外的軌道上穩定下來。

王昆的研究為揭示月球形成過程提供了有力的證據，但這還遠遠不是故事的全部。王昆說：「現在從月球返回的樣品都集中來自月球有限的幾個區域，我們對月球的認識相比我們對地球的了解要差很多。」王昆的研究樣本來自阿波羅計劃從月球帶回的巖石，受月球巖石樣品數量的限制，相關研究無論是在項目申請上還是在國際合作上都面臨著重重障礙。

按照計劃，中國將發射「嫦娥五號」探測器。如果順利，這項任務將帶回月球土壤樣本，而巖石樣本可能在后繼的月球探測中獲取。但是，月球形成過程仍然藏有眾多謎團，例如碰撞過程后地球的角動量如何演變。王昆說：「更多的樣品會對我們理解月球形成過程有很大幫助，但是理論上的突破也很重要。計算天文學家根據地球和月球的軌道參數模擬出大碰撞的過程，而我們地球化學家則需要驗證這些假說與月球的化學成分是否吻合。只有這樣跨學科的合作才能解決月球的起源問題。」