清冷的夜晚，皎皎明月总能引人无限遐想，无数文人墨客与月对饮，将愁思寄付明月，畅想着“江畔何人初见月？江月何年初照人？”。
虽然现代科学让月球这个“白玉盘”褪去了梦幻的面纱，但围绕着它的起源问题，却变得更加扑朔迷离。我们最新的模拟研究，对这个问题进行了很好地回答，并与迄今的观测结果符合得很好，相关研究结果发表在了《自然》杂志上。
历史上失败的月球起源学说
在美国航天局阿波罗登月计划之前，盛行着捕获说、同源说、分裂说等月球形成理论。捕获说认为太阳系形成早期，月球从地球附近掠过的时候，因潮汐作用损失轨道角动量而被地球俘获，但它难以解释月球（阿波罗样品）与地球岩石样品在成分上的高度相似性。
图一：月球起源的“分裂说”示意图。
同源说这认为地月系统的形成类似于缩小版的双星系统，从形成太阳系的原始星云中形成，且不论动力学上的可能性，它很难解释月球很低的铁含量。分裂说则认为早期地球自旋非常快，以至于一部分地幔物质离开了地球主体，并聚集生长形成了月球（图一）。然而自旋快到不稳定的地球所蕴含的角动量远高于目前地月系统的总角动量，尚无有效的理论可以让地月系统角动量发生如此大的转变。
存在bug的现代月球起源学说
二十世纪八十年代，月球形成的大碰撞假说被提出，并逐渐成为主流学说。大碰撞学说根植于内太阳系岩石行星（水星、金星、地球和水星）的形成理论。一般认为在原行星盘几近耗尽时，行星星子在相互引力作用下碰撞融合，可以逐渐形成行星胚胎和原始行星。
针对这一过程的多体模拟显示，地球生长后期曾与其他原始行星发生过毁天灭地的大碰撞。这样的碰撞可以释放出巨大的能量，让地球被全球岩浆洋覆盖，并将一部分物质溅射到高空轨道，这些物质在冷却后，经历碰撞生长过程形成了月球（图二）。
大碰撞数值模拟发现：一颗火星大小的原行星（Theia）与地球碰撞后可产生合适质量的碎片盘，供月球形成演化，且碎片盘中铁含量极低，自然地解释了月球缺铁的观测事实。这一高能高温的大碰撞过程还能很好地解释月球样品中易挥发物质的相对缺失。这一模型也被称为月球形成的经典（canonical）大碰撞模型。撞击能量相当于日本广岛小男孩原子弹的50亿亿倍。
图二：大碰撞假说示意图。图源：Citronade/Wikimedia Commons
然而随着同位素分析能力的提升，地球化学家发现月球和地球样品中多种元素不同同位素的比例几乎不可区分，预示着月球和地球有相同的物质起源，但大碰撞模拟中碎片盘（月球前身）继承的物质主要（80%左右）来源于Theia这个天外来客，理应和地球成分有所区别。
为了缓和这一矛盾，研究人员开始探索其他的碰撞构型，尽可能地让原始地球（Gaia）的物质溅射到高空中，形成物质成分类似于地球的碎片盘。其中一个重要的模型为分裂说的变体：一颗快速自旋的原始地球在一个很小的撞击体的激发下，自身发生裂解，部分地幔散布在早期地球周围，形成成分与地球一致的碎片盘。
另外，当两个质量接近（均为0.5倍）地球质量的原行星碰撞时，它们扮演几乎相同的角色，在早期地球和碎片盘中均五五分成，也可创造出成分相同的地月系统。
然而这两个模型中，地球与碎片盘含有两倍以上现今地月系统的角动量，能否在后续演化中恰巧耗散掉多余的角动量具有巨大不确定性。
消除bug的关键：混合、混合还是混合
我们并没有尝试改变碰撞构型，来提升原始地球在碎片盘中的物质贡献，而是瞄准了经典大碰撞模拟中光滑粒子流体力学（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）算法的缺陷。
SPH作为经典的拉格朗日算法可以适应大碰撞中极端的形变，并追踪流体质元的运动和混合情况，在近40年的相关研究中几乎一枝独秀。然而，SPH有较强的数值耗散，会抑制湍流和物质混合。2017年起，申请人尝试将新的无格点计算方法（Meshless Finite Mass, MFM）应用到大碰撞模拟中，更好地分辨了碰撞导致的湍流和物质混合。在新方法的加持下，我们确实让碰撞中的两者发生了有效的混合，不过仅仅是发生在表面！
如下图所示，碎片盘中Theia和Gaia接近五五分成，在早期地球的表面两者也发生了较充分的混合。然而早期地球在地幔深处还保留了一部分几乎未被沾染的原始成分，质量约为地球地幔的一半（圆圈内蓝色物质）。
图三：经典大碰撞模型中碰撞前（左图）后（右图）Theia和Gaia的物质分布和混合情况。碰撞前两者的地幔和铁核由不同颜色示踪，此处仅显示了三维模拟中赤道平面的物质。图中半径R标记了碰撞后地幔内部熵发生跃升的位置，圆圈外的上层地幔为熔融的岩浆洋而圈内下层地幔则主要是固体。月球形成大碰撞后，早期地球上下地幔的成分也在此处发生跳变。图源：Deng et al. 2019 ApJ 887 211。动画版见：https://www.bilibili.com/video/BV14e411d7Mq/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=f8f7b962f02c9502a97514bd3e16d48e
地幔的分层演化
为什么如此难以将Gaia物质抛洒到高空轨道呢？事实上，Theia的物质从起始便拥有更高的角动量，倾向于运行在高空轨道中，而行星尺度的大碰撞由引力和压强主导，类似于完全非弹性碰撞，Gaia物质无法有效地获得角动量，很难被激发到碎片盘的高空轨道，Theia物质同样难以失去角动量而掉落到早期地球的深处。
因此我们观测到的分层是受限于物理过程而非数值原因，后续100倍标准分辨率的SPH模拟（可通过堆叠计算资源，提高分辨率而提高准确性）也证实了我们用率先用MFM算法发现的这一地幔中部分层结构。
图四：现今地球内部重要结构示意图。图片来源：Jie Deng/Yale University.
在经历了月球形成大碰撞后，地球地幔居然是分层的！ 我们自然会思考这一地球诞生之初的分层结构能否在45亿年地球演化过程中留存下来？它对理解现今地球的结构有什么启示？
目前人类活动局限在地表，最大钻探深度也不过12千米，但借助对地震波的分析，我们甚至可以窥见地幔底部的结构。值得注意的是地幔中部（1000千米深处）物质粘度发生跳变, 伴随着地震波的反射、部分俯冲板块的停滞和上涌地幔柱（Plume）的偏折，预示着地幔深处可能埋藏着不同于上层的物质（图四）。
而这一转变位置恰巧对应了图三中月球形成大碰撞所造成的物质和物态分层位置。另一方面，如果地球地幔一直延续了分层状态，上地幔与碎片盘的成分相似性（图三）将为地表与月球物质相似性提供一个自然的解释，同位素危机也迎刃而解。
地幔深处的两颗“大肿瘤”：地震波低速体
尽管下地幔由Gaia物质主导，仍有少量（2%地球质量）Theia地幔物质幸运地钻入了下地幔（图三.圆圈内的红色物质）。
以此为初始条件，我们开展地幔对流模拟，发现这些原本弥散的Theia地幔物质，能够在漫长的地幔对流过程中聚集成两块大陆大小的局域，可能对应了现今地幔底部观测到的地震波低速区域，即以上发表的Nature封面论文。
图五：上下两层可能因为黏度不同而分开演化，分层结构得以在漫长地质演化中保留对应现今地幔中部的物质异常，BEAMS (Deng et al.,2019,ApJ)；下地幔少量的撞击体物质可能演化成为现今地幔底部的地震波低速体，LLVPS（Yuan et al.. 2023, Nature)。
月球形成大碰撞是地球历史上最重大的事件，让地球2900千米厚的地幔一半变成了熔岩，也在地球的深处留下了难以愈合的伤疤。通过各种数值模型和数据分析，我们有可能探寻到45亿年前原始地球（Gaia，下地幔BEAMS）和撞击体（Theia，下地幔LLVPs）的残骸。因此，我们的研究或许一举解决了月球和地幔深处两大“地震波低速体”的起源问题！
人类居然能够理解45亿年前地球诞生之初的往事，真是一件奇妙的事情！
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