1971年8月1日，當阿波羅15號宇航員大衛·斯科特和詹姆斯·歐文在寂靜、寧靜的月球表面，探索被稱為雨海的熔岩平原東緣時，他們發現了一些非凡的東西：一塊極其古老的月球地殼碎片，一塊超過四十億年的遺蹟，其中蘊藏著月球形成的線索。斯科特看到嵌入後來被稱為“創世紀巖”中的古老晶體的閃光，立即意識到它在解開月球如何形成的謎團方面的潛在重要性。“我想我們找到了我們來這裡的目的，”當他和歐文取出岩石並將其放入袋子時，他向任務控制中心發出無線電訊號。它將成為阿波羅計劃最偉大的科學遺產的關鍵組成部分。
對創世紀巖以及阿波羅宇航員帶回地球的其他近400公斤樣本的研究，顛覆了我們對月球歷史的理解。在一次科學重啟中，這些珍貴的樣本否定了當時流行的理論——月球是被地球引力捕獲的，或者與地球同時形成——同時揭示了重要的新細節，例如新生衛星曾被岩漿海洋覆蓋。
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形成月球岩漿海洋所需的巨大能量指向了一個關於月球起源的激進新想法：地球最近的夥伴是從一次巨大撞擊中形成的，即原始地球和另一個行星體之間的碰撞。這個概念建立在表明正在生長的行星會彼此碰撞的計算，以及月球成分與地球岩石地幔成分驚人相似的奇特事實上。一些研究人員甚至提出，這樣的撞擊設定了年輕地球的自轉，從而建立了我們星球上24小時晝夜迴圈。從這些早期研究中出現的規範巨型撞擊假說提出，與一個火星大小的天體的掠射碰撞在地球周圍產生了一個由岩石碎片組成的熱盤。然後月球從這個盤中凝聚而成——這種情況可以解釋月球的大質量以及缺乏水和其他揮發物。
然而，巨型撞擊假說並非沒有缺陷。其中最主要的是地球和月球之間驚人的化學關係。這兩個天體由相同的源材料製成，彷彿它們是行星雙胞胎，而規範假說預測月球應該主要由其火星大小的前身組成。該前身應在成分上與原始地球不同，因為從年輕太陽周圍的氣體和塵埃盤中生長的行星將根據其軌道位置各自包含獨特的構建塊混合物。科學家可以透過非常精確地測量岩石中同位素的相對丰度來辨別這些差異，從而為太陽系中的每個行星體產生獨特的“同位素指紋”——除了地球和月球，奇怪的是，它們似乎幾乎相同。
幾十年來，這場同位素危機一直困擾著巨型撞擊假說，但對於月球起源，沒有出現更好的解釋。然而，現在，在另一次科學重啟中，我們發現大多數巨型撞擊不會製造出被碎片盤包圍的行星。事實上，大多數巨型撞擊根本不會製造行星。相反，它們創造了一種全新的天文物體類別，一種行星和星盤之間的瞬態混合體，稱為合星盤，它可以解釋月球的許多最神秘的特徵。
隱藏在眾目睽睽之下
合星盤的發現可以追溯到幾年前，當時我們（洛克和斯圖爾特）正在思考一次形成月球的巨型撞擊是否設定了地球一天的長度。這個晝夜週期透過一個基本的物理定律——角動量守恆——與巨型撞擊聯絡在一起。回溯到過去，月球離地球更近，為了守恆角動量，地球自轉得更快——快得多：它本應該有一天的五個小時。其他科學家發現，火星大小的天體的掠射巨型撞擊可以設定地球和月球的總角動量。但是，如果其他因素設定了地球的一天長度，那麼形成月球的事件可能具有更多（或更少）的角動量，從而為更廣泛的可能撞擊情景打開了大門。而具有更大角動量和更多能量的巨型撞擊，在非常罕見的情況下，可能導致兩個碰撞天體的物質的公平混合，這可能解釋地球和月球作為同位素雙胞胎的地位。
在對大約100種不同情景的高能量、高角動量、形成月球的巨型撞擊的模擬中檢查這個問題時，我們遇到了看似荒謬的結果。我們繪製的每個撞擊後情景的圖表都沒有顯示我們預期的“行星”和“星盤”之間的整潔劃分。撞擊後的行星又熱又大，它們的岩石地幔部分汽化並膨脹到地球當前體積的100多倍，如此膨脹以至於它們與環繞的星盤連線起來。由此產生的物體不再像正常的行星或星盤，而是介於兩者之間的東西。在靈光一閃中，我們意識到這些巨型撞擊正在製造新的東西。但是我們無法立即理解它是什麼。我們當時不知道該怎麼稱呼它，但我們看到了我們的第一個合星盤。
致謝：詹·克里斯蒂安森
為了理解我們所看到的，我們回到了第一原理，重新審視了諸如“行星”的工作定義之類的基本概念。行星的部分定義是其球狀形狀，這來自於天體自身的引力足夠強大，可以像流體一樣使岩石變形。行星一起旋轉，只有來自任何內部動力學的小變化。我們使用流體動力學程式碼來計算當類地行星的岩石地幔緩慢加熱時會發生什麼，觀察我們的模型顯示行星隨著岩石開始汽化而膨脹。在巨型撞擊後的極端溫度下，該天體類似於氣體巨星——足夠熱以至於缺乏真正的表面，只有一個厚厚的岩石蒸汽大氣層，隨著深度的增加而變得更密集。如果這樣的世界以五小時的一天旋轉，即使隨著溫度升高而體積膨脹，它也保持大致球狀的形狀。
但是，如果行星旋轉得更快，隨著它的升溫，會發生一些令人驚訝的事情。隨著行星的赤道膨脹，它達到一個點，在該點赤道的旋轉速度與在軌道上一樣快。我們稱此點為共轉極限。只需再加熱一點，物質就會從行星的赤道流入軌道。突然，一股蒸汽鰭從它的赤道突出，行星變成了其他東西。與行星不同，它不再是一個簡單的球體。此外，與行星不同，它不再具有凝聚力地旋轉，而是具有一個內部共轉區域和一個旋轉速度較慢的外部區域。經過一番思考，我們選擇將這種新的天體生物命名為合星盤，以希臘爐灶和家庭女神赫斯提亞的名字命名——因為我們相信地球曾經是這些火熱的物體之一。（“合”字強調了行星和星盤中所有相互連線的物質之間存在的協同作用。）當熱量和自轉迫使行星超過球狀形狀的極限時，合星盤就是行星變成的東西。
很快，我們在計算機模型中製造了數百個合星盤，將旋轉行星加熱到超過共轉極限。合星盤可以具有各種形狀和大小，具體取決於質量、能量和角動量如何在整個天體中分佈。合星盤的屬性取決於它的製造方式。輕輕加熱行星會使合星盤看起來像一個矮胖的飛碟，但巨型撞擊會製造出巨大的蓬鬆合星盤，形狀更像甜甜圈或奶油餡糕點。在更好地理解了這些物體是如何產生和顯現的之後，我們開始挖掘我們之前所有巨型撞擊的模擬，並在那裡也發現了合星盤。事實證明，多年來我們一直在意外地製造合星盤。事實上，大多數研究巨型撞擊的科學家都無意中將合星盤放在他們的建模資料中，只是等待被識別為科學界的新奇特物體。
沒有人早先注意到它們的事實是期望錯位的問題。在可能的形成月球的巨型撞擊範圍內，規範的火星大小撞擊體的能量和角動量太低，無法產生合星盤。透過關注火星大小的撞擊體，整個領域——幾代科學家——被誤導地認為行星和星盤是巨型撞擊的標準結果。
對我們來說，下一個明顯的步驟是模擬合星盤應該在行星形成的複雜過程中出現多久。我們開發了技術來繪製哪些撞擊可以將行星轉變為合星盤。透過將這些結果與正在生長的行星模型進行比較，我們發現合星盤不是極其罕見的怪異現象，而是年輕行星系統的非常常見但瞬態的特徵。實際上，我們的模擬表明，宇宙中大多數岩石行星在其形成過程中可能已經轉變為合星盤一次或多次。我們現在相信，大多數形成地球質量天體的巨型撞擊也會製造合星盤。轉眼間，我們發現了行星宇宙歷史中缺失的一塊拼圖。
回到月球
然而，動機問題仍然存在：合星盤能否解釋我們月球與地球的獨特關係？與傳統的行星周圍星盤相比，合星盤是月球吸積的非常不同的環境。我們發現，從合星盤形成月球為困擾月球起源巨型撞擊模型的許多問題提供瞭解決方案。
合星盤的表面溫度由岩石的沸點決定，在低壓外邊緣約為2300開爾文（近3700華氏度）。在那裡，透過向太空輻射熱量冷卻，來自形成月球的合星盤的岩石蒸汽會凝結成岩漿液滴，並像雨點一樣落入其內部。岩漿雨的速率將是地球上測得的最強降雨速率的10倍。在這種情景中，月球將從一個小的熔融岩石和金屬球體開始——這是最初撞擊中未被汽化的一些物質。在合星盤的巨大規模面前顯得相形見絀，新生的月球實際上會在合星盤發光的蒸汽深處軌道執行，周圍環繞著大量高壓氣態岩石，並隨著吸收的每一滴落下的岩漿雨而生長。合星盤會隨著冷卻而收縮，因此經過數十年後，它會充分收縮，使其外邊緣在月球軌道內退縮。在那一刻，月球將會出現，從垂死的合星盤中誕生。
這個故事可以解釋為什麼地球和月球是同位素雙胞胎，因為合星盤是由來自兩個碰撞天體的汽化和充分混合的物質形成的。此外，合星盤的傾盆岩漿雨和湍流蒸汽將驅動更多混合物遍佈天體的很大一部分。如果合星盤充分混合，月球將獲得與地球相同的同位素比率。
合星盤還可以解釋規範巨型撞擊假說無法解釋的其他幾個月球謎團。例如，儘管月球具有與地球相同的同位素指紋，但它並不具有完全相同的化學成分。與地球相比，月球的極易揮發元素（如氫和氮）以及中等揮發性元素（如鈉和鉀）的丰度較低。規範假說並未明確解釋這些奇特的特徵。然而，它們自然而然地來自在合星盤的“烤箱”中以幾千度“烘烤”一個正在生長的月球。
更易揮發的元素會優先留在合星盤的蒸汽中，因此月球永遠不會獲得與地球相似的這些元素的丰度。留在蒸汽中的揮發性元素會隨著收縮的合星盤向內移動，成為地球的一部分。在哈佛大學的同事米沙·佩塔耶夫和斯坦·雅各布森的幫助下，我們證明了中等揮發性月球元素的模式和豐度可以透過月球與合星盤內部汽化元素達到化學平衡來解釋。簡而言之，出生在合星盤中自然解釋了為什麼月球的成分與地球相似，但揮發性元素的丰度較低。我們製造月球化學成分的簡單配方如下：汽化兩個碰撞的行星體，充分混合，並在4000攝氏度（超過7000華氏度）的對流烤箱中烘烤10到100年。
最後，合星盤可以解釋月球軌道中其他神秘的怪癖。奇怪的是，月球的軌道平面與地球繞太陽執行的平面（稱為黃道面）不在同一平面上。相反，月球的軌道相對於黃道面傾斜約五度。軌道的傾斜是為什麼我們不是每個月都有月全食，而只是在地球、月球和太陽對齊的罕見情況下才有月全食。然而，在巨型撞擊之後，如果月球是從行星周圍的星盤或合星盤形成的，那麼天真的期望是它應該在黃道面內軌道執行。那麼為什麼月球軌道會傾斜呢？
SETI研究所理論家馬蒂亞·庫克及其同事提出的關於月球軌道如何隨時間變化的新模型可以解釋月球軌道的傾斜和地球一天的長度。巨型撞擊可能使原始地球側翻，併產生一個自轉軸傾斜接近黃道面的合星盤。月球會在地球赤道平面內形成，其軌道也遠離黃道面傾斜。隨著時間的推移，與太陽的共振相互作用會將地球的自轉軸拉得更直立到目前的23度傾斜。地球的自轉速度在這個過程中會減慢，我們的星球會被稍微推離太陽以守恆角動量。隨著月球透過在地球上引起潮汐來消散其軌道能量，它將緩慢地遠離地球，從而將月球相對於黃道面的傾斜度降低到目前的方位。因此，一次創造了傾斜合星盤的巨型撞擊可以解釋地球及其衛星的許多關鍵動力學特徵。
總而言之，合星盤的自然優雅和解釋力挽救了巨型撞擊假說——並永久性地改變了月球起源研究的競爭格局。
實現阿波羅的遺產
如果沒有阿波羅宇航員收集的岩石資料，我們可能會對月球是如何形成的有一個不完整，甚至錯誤的認識。解釋資料的挑戰導致了合星盤的發現。現在，我們新的挑戰是進一步發展我們對合星盤及其在行星形成中的作用的理解。我們才剛剛開始這項探索。
我們的形成月球的合星盤模型可以透過改進其對月球成分的化學和同位素預測來測試。我們仍在從阿波羅任務收集的樣本中學習——半個世紀的儀器進步使我們能夠提取更準確和詳細的資料。但是阿波羅樣本是一種有限的資源，在覆蓋範圍和完整性方面存在巨大差距。我們比以往任何時候都更需要來自月球地幔的岩石，以構建更好的月球整體成分化學模型。重返月球以獲取來自地幔的樣本，地幔的部分應該暴露在大型撞擊坑內部和周圍，這將使我們能夠對這項至關重要的測量做出新的預測。與此同時，地球上的岩石可能為月球起源提供額外的重要線索。最近人們意識到，地球地幔的最深區域包含在形成月球的巨型撞擊中倖存下來的物質痕跡。無論形成月球的過程是什麼，都不可能抹去這些化學記錄。透過結合來自地球和月球的資料，我們希望拼湊出我們對形成這兩個天體的合星盤的看法。
理解合星盤的幫助也可能來自我們太陽系之外。到目前為止，我們僅在計算機螢幕上將它們視為數學物件，但是合星盤可能不會長期停留在純粹理論概念的層面。許多太空和地面望遠鏡都在凝視天空，尋找以外行星為輪廓襯托在其恆星明亮面孔前的外行星。由於它們的形狀與球形行星非常不同，因此合星盤會在我們的望遠鏡上投下不尋常的陰影。其他新興設施正在拍攝非常年輕的恆星周圍行星的嬰兒照片，這些行星可能仍處於形成的巨型撞擊階段。也許其中一些快照將揭示一個曾經是行星的蓬鬆、發光的岩石蒸汽甜甜圈。很快我們可能會瞥見我們的第一個自然合星盤，並見證導致我們自己的地球和月球形成的創造性破壞的近乎重演。