儘管月球是我們最近、最熟悉的宇宙鄰居，但關於它是如何形成的這個問題卻出人意料地懸而未決且充滿爭議。科學家們普遍認為，大約45億年前，一個名為忒伊亞的大型物體撞擊了地球——這個觀點被稱為大碰撞假說。然而，接下來發生了什麼尚有爭議。一些科學家贊成“經典”模型，即撞擊產生大量碎片，逐漸凝結成月球，而地球則完好無損。另一些科學家則贊成更激進的模型，例如地球和忒伊亞汽化併產生一個甜甜圈狀的超熱碎片環被稱為合體星，最終形成了我們的行星及其天然衛星。但普渡大學的傑伊·梅洛什指出，“[這些理論]都沒有在科學界達成共識。”
發表在《自然·地球科學》上的一項新研究可能解決了一些問題。新墨西哥大學的埃裡克·卡諾和他的同事檢查了阿波羅任務收集的月球表面樣本，發現你越深入表面，月球看起來就越不像地球。這一結果表明，月球和我們的星球在成分上並不像曾經認為的那麼相同，這可能會排除合體星模型，該模型假設後一個天體和忒伊亞在分離成地球及其衛星之前充分混合了它們的物質。這些發現可能讓人回想起更經典的月球形成模型。“人們為此爭論了60年，”加州大學聖地亞哥分校的馬克·蒂門斯說，他是該論文的審稿人之一。“你能識別出月球的一部分來自撞擊體，這真是一個大新聞。”
我們比較地球和月球成分的關鍵方法之一是測量氧同位素——即質量不同的氧原子——它們存在於樣本中。在太陽系內不同位置形成的天體被認為具有不同數量的此類同位素。之前的研究發現，如果你對每個天體上採集樣本的位置進行平均，月球的同位素與地球的同位素非常相似。這一觀察結果表明，要麼發生了大量的地球-忒伊亞混合，要麼忒伊亞在我們星球形成的太陽系中的位置相似。如果忒伊亞在不同的位置形成，或者碰撞後混合程度很小，那麼同位素應該有更大的差異。
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但是，卡諾的團隊並沒有對樣本進行平均，而是查看了每個樣本在月球上的來源，並發現了顯著的差異。研究人員發現，儘管靠近表面的氧同位素與地球的相似，但較低處的氧同位素卻不同。“相同的氧同位素值是大碰撞假說的一個難題，因為這些模型預測月球主要由撞擊體的物質構成，”卡諾說。“我們發現的是，氧同位素值實際上存在變化，具體取決於不同的岩石型別。”
結果表明，忒伊亞的殘餘物在撞擊後被儲存在月球地幔深處。與此同時，在表面，撞擊產生的汽化矽酸鹽岩石大氣逐漸淋在月球上，用來自地球的物質汙染了它。“這像雨一樣落在熔融的月球上。然而，它並沒有完全混合到月球岩漿海洋中，”卡諾說。“這就是為什麼我們認為來自最深[區域]的樣本受到的汙染最少。”
梅洛什說，這些發現可能對月球形成爭論產生重大影響。“這一結果的總體含義是，它可能會排除，或至少對合體星模型產生一些懷疑，”他說。然而，加州大學戴維斯分校的莎拉·斯圖爾特——她與同事西蒙·洛克在2018年提出了合體星模型——表示，這些發現並沒有完全否定她的理論。關於月球形成的重大問題仍然存在，尤其是為什麼地球的氧同位素似乎比其他地方（如火星）更接近忒伊亞的氧同位素。“我們仍然面臨著用一個必須非常靠近地球的物體或事件期間大量混合來製造月球的問題，”她說。“究竟有多少[混合]仍然是一個懸而未決的問題。”
然而，新的結果表明，關於月球成分仍有很多東西需要了解，科學家可能還需要一段時間才能就關於衛星如何形成的單一理論達成一致。“很多人真的有興趣瞭解它是如何製造的，”蒂門斯說。但是，如果在地表之下確實存在忒伊亞的“確鑿證據”，它可能有助於我們最終弄清楚這個撞擊體來自哪裡，以及它是如何導致我們的宇宙鄰居誕生的。