月球的起源与“脐带甩离说”
张春津
(天津市天文学会，天津工人报社，天津，300211)
[摘要] 该文在探索月球起源的问题上，吸纳了分裂说、大碰撞说等假说的合理成分，在对各种假说所遇到的难题进行分析后，将“月球起源之谜”这个小问题，融入到“太阳系形成之谜”的大问题之中一并考虑，创立了一种新假说——“脐带甩离说”。该假说在解决月球起源之谜的很多难题上所作出的分析和解释，比其他假说更合理、更具有说服力。它通过论证证明：“月球”形成之前是太阳（母体）和地球（子体）之间的“脐带物质”，后成为地球的“甩离卫星”。
[关键词] 月球起源；月球探索；地球；卫星；太阳系
[中图分类号] P184.1 [文献标识码] A
Origin of the Moon and the
“Umbilical Cord Swang Away”Hypothesis
ZHANG ChunJin
(Tianjin Astronomy Academy of China, Tianjin,300211)
Abstract：In this paper it has combined the fissio
n and giant impact hypothesis to shine light on the moon origin problem. Merging the Moon origin mystery into the Solar system mystery, and a new hypothesis （Umbilical Cord Swang Away hypothesis） is created. This hypothesis is more reasonable and convincible in solving the moon origin mystery, which puts forward that the moon is just the Umbilical Cord material between the sun(mother) and the earth(child) and then it becomes the swang away satellite of the earth.
Keyword： moon origin; moon explore; earth;
satellite; solar system
CLC Number：P184.1 Document: A Article ID:
0 引言
随着中国的“嫦娥1号”月球探测器成功地实现了绕月飞行之后，有关月球起源的话题又逐渐地成为热点。本文在探索月球是怎样形成的问题上，针对同源说（又可称为吸积说）、分裂说、俘获说和大碰撞说所遇到的无法克服的难题，创立了一种新假说——“脐带甩离说”。尽管这一假说尚未得到科学界的认同，但写作此文的目的，就是想公开地征询意见，聆听各位专家、学者的批评和指正。
1 各种假说所遇到的难题
有关月球的起源，出现过4种假说，这些假说都是由西方人提出的：
最早出现的是同源说，它是18世纪法国天文学家布丰首先提出的。这一假说在分裂说和俘获说相继出笼后曾经沉寂了很长时间，一直到了20世纪，随着太阳系起源的“星云说”又开始受宠，它经过一些完善后，由美国的一位天体化学家哈罗德·尤里(Harold Urey)再次提出来[1]（161）。
分裂说是由乔治·达尔文(George Howard Darwin)于1881年提出的[2]（136－137），他认为熔化状态的地球会出现周期震动，正好与太阳引起的潮汐周期相同而产生共振，导致原始地球振幅最大的部分脱离地球形成了月球。后来又有天文学家作补充，认为月球是从地球赤道区甩出去的。
当同源说和分裂说遇到阻碍后，俘获说便在此后产生，它首先是由瑞典天文学家阿尔文提出的，该假说认为月球和地球是在不同的地方形成的，一次偶然的机会，地球把运行到附近的月球俘获，后成为自己的卫星。
大碰撞说是由美国天文学家哈特曼(W.Hartmann)和戴维斯(D.R.Davis)于1974年共同提出的[3]（25），后来又有很多科学家相继对这一假说作补充。据说一些探月活动就是围绕着验证它而进行的。这一假说认为，地球被一颗火星大小的星体碰撞后，地球的地壳和地幔受热“蒸发”，膨胀的气体“裹胁”着尘埃飞离地球，形成了现在的月球。这一假说现今在西方国家最受追捧。
不管是哪一种假说，在探索月球起源问题时，找到科学答案所必须满足的要求是：使用一个“初始条件”同时解决10个必须回答的难题，不出现一个相悖的结果,否则就不能形成“逻辑链”。那么，这10个必须回答的难题是什么？
1.1 “质量比”难题
作为太阳系中的一颗卫星，与其他的卫星相比，月球所具有的一系列特征在太阳系中没有第二例。其他卫星与中心行星的质量比，全都小于1/1000，而月球与地球的质量比却高达1/81[2]（129－130）。是什么原因导致月球在“质量比”的问题上“独具特色”？这与卫星形成的方式是否有直接的关系？
1.2 “角动量”难题
天文学家通过严格的计算后发现，月球的角动量在地-月体系角动量中，所占的比重极大，是一个非常异常的现象[2]（130－132）。这究竟是什么原因？
1.3 “岩浆洋”难题
通过地质化学、地质物理学实验和分析，现今天文学家们已基本确认，地球和月球都曾经有过一段高温熔融流体状态的阶段[
2]（134－136）。那么，这一阶段是发生在地球和月球形成之初，还是发生在后来？是在它们身上同时发生的，还是有先有后？如果是同时发生的，可为什么它们的密度有很大的差异？
1.4 “元素亏损”难题
通过对月球岩石和月壤样品的化学分析表明，与类地行星相比，月球亏损挥发性元素的情况非常严重，而且，月球的铁含量只有太阳系铁丰度的1/4，因而月球亏损铁元素的情况也非同小可[2]（132－133）。这是什么原因导致的？
1.5 “同位素”难题
通过天文学家的分析表明，太阳系各天体中3种氧同位素（氧16、氧17、氧18）相对比例的差别，是由形成这些天体的原始太阳系星云物质的位置不同所致。即：与太阳距离近的，氧同位素的相对比例没有差别；反之差别就大。而地-月的相对比例几乎一样[2]（133－134）。这说明了什么？
1.6 “分离”难题
观测表明，月球围绕地球公转，其公转椭圆轨道直径是越来越大的。即：每年月球要远离地球3.81厘米[3]（27）。这说明，我们往前追溯的话，月球过去距离地球应该是越来越近的，月球和地球必然会有一个“分离”的瞬间情形。可月球是出于什么原因要逐渐远离地球？
1.7 “互绕”难题
月球围绕地球公转，虽然也像行星围绕太阳公转那样，形成的是一个椭圆的轨道，但局限于地-月二者之间而言，并不是只有月球绕转，地球处于中心位置静止不动，而是地球和月球这两个天体在围绕着它们的公共引力中心运行，具有一种“互绕”的特征[3]（33－35）。只不过，这个“公共引力中心”距离地球的中心点比较近，就在地球的“体内”，造成地球的“绕径”小，小到仅仅在空间出现一定幅度的“抖晃、摆动”而已；月球则由于距离“公共引力中心”较远，因此“绕径”大。问题是，这种“互绕”的初始原因是什么？
1.8 “倾角”难题
月球围绕地球公转的轨道圆盘平面(即白道)，既不与地球的自转方向 (即赤道) 平行，存在着一定的倾角，又不与地球围绕太阳公转的轨道面(即黄道)平行，也存在着一定的倾角。但奇怪的是，白道与赤道、白道与黄道之间，又都分别可以有交点出现 [4]（225－227），这究竟是什么原因？它是怎样生成的？
1.9 “进动”难题
月球围绕地球公转的轨道，同地球围绕太阳公转的轨道一样，也是一个椭圆，地球位于月球椭圆轨道的一个焦点上[3]（33），并且，月球在轨道上运动也有进动的现象，使白道与黄道的交线存在着周期变化，每18.6年旋转一周，即：交点每年约后退19.355°[5]（96）。这一现象是什么原因造成的？
1.10 “体态”难题
地球仍有高温液态的金属核，约占地球半径的二分之一[1]（202）。而月球则不同，月核被认为是冰冷固态的，甚至有可能已经形成真空状。因为在阿波罗登月探险过程中，当登月舱着陆或起飞抛弃助推器时，每一次撞击都像一只大钟被敲击一样引起月球的振动，振动持续的时间最多长达4小时。为什么二者物质构成的体态会有这么大的差异？
同源说尽管看上去与“星云说”相吻合，似乎能获得支持，但在太阳系形成的问题上，“星云说”自身就面临着很多难题无法解开。譬如，太阳系星云的圆盘所形成的行星，其轨道按照常理都应该与太阳的赤道线是平行的，可为什么行星的公转轨道平面都与太阳的赤道线形成倾角？还有“轨道椭圆难题”、“进动难题”、“卫星逆向公转难题”、“卫星质量大小难题”等等，这些问题都是“星云说”无法解释的，使得同源说面临重重困难[3]（23－25）。
分裂说经过科学家仔细计算后得出结论：天体的扁率与它的自转速度、密度有关，要使一个圆形的地球将一部分物体在离心力的作用下甩出去，其自传的速度至少要比现在快17倍。可是天文学家根据地-月系统现状和角动量守恒定律来计算，地球的自传速度从来也没有转那么快过。
俘获说曾经在20世纪60年代最流行，但现在已基本陷入困境[2]（140－146），因为科学家经过计算表明，要捕获月球这样大的一个天体并使它在近似圆形的环地轨道上运行，其可能性几乎没有。同时，月球曾经距离地球很近，现在正在逐渐远离地球，这个事实也与俘获说相矛盾，因为地球既然能靠引力将月球俘获，月球只可能距离地球越来越近，或者至少保持距离不变。另外，氧同位素的丰度也使人们已经确认，地球和月球并不是来自远方，它们都是在太阳附近生成的。
大碰撞说虽然获得了一些实验数据的支持，但它也存在着明显的漏洞，使得它在很多问题上难以自圆其说。其一，大碰撞说不符合“弹”与“靶”的基本原理。一个直径只有1千米的“弹”（小行星），碰撞 “靶”（地球），其冲击波所造成的结果是，可以碰撞出直径超过50千米的大陨坑，其“弹”与“靶”直径的比例为1︰50。也就是说，假如地球的直径小于50千米，那就意味着地球将会被小行星这个“弹”完全击碎。而让一个直径足有6790千米的星体去碰撞直径只有12756千米的地球（双方直径的比例为约1︰2），地球还能以一个完整的形态存在吗？其二，大碰撞说不符合碰撞反弹抛射轨迹的基本常识。一个圆形的星体碰撞地球，不管它的倾斜角度是多少，碰撞后所反弹抛射出去的物质，应具有弥散性，其间的点位应该是相互越来越远的，不可能汇聚在一起形成月球。其三，如果地球在公转轨道上被这么一个大的星体碰撞的话，那么，现在的地球在围绕太阳公转的轨道上，一定会有一个非常明显的“轨道凹陷”处，而事实上人们没有发现这个“轨道凹陷”处。因此，大碰撞说虽然被国外的权威认为是最理想的月球形成假说，但实际上它根本经不住推敲，国外的权威并不值得我们中国人迷信它。
上述4种假说，都不同程度地存在缺陷，因而至今没有得到公认。
2 “脐带甩离说”的基本原理
探索月球起源之谜，不能脱离开对太阳系形成之谜的探索，二者是有着密切联系的。“脐带甩离说”与其他假说的不同出发点就在这里。因此，本文不得不先将太阳系的形成作一简要的说明。
太阳原始星云在中心引力的作用下逐渐收缩，它的直径是逐步缩小的：随着它的收缩，太阳的密度不断提高[6]（6－14）。因此，太阳是经历了“稀死阶段”（密度过于稀而无法反弹出成团的行星物质的阶段）、“稀生阶段”（密度虽然稀但已强化到可以反弹行星物质的阶段）、“稠生阶段”（熔融状流体物质的密度已开始变稠但仍能反弹出行星的阶段），发展到现在的“稠死阶段”（熔融状物质的密度太大过于稠已无法反弹行星的阶段）[6]（19－23）。
太阳在漫长的收缩过程中，免不了会遭到外来星体的撞击，但按照“天体反弹四定律”[4]（86－91）所设定的条件，太阳在“稀死阶段”和“稠死阶段”，都不会反弹出行星，只有在“稀生阶段”和“稠生阶段”可以反弹出行星。笔者经过多次的试验(用稀稠不同的玉米粥)，发现在反弹起的粥圆柱与粥面之间总是出现一些连带物，就像一个婴儿初生一样，“脐带”仍可与母体相连。而太阳“生育”行星时，也会有“脐带物质”瞬间停留在太阳与行星之间，随着行星远离太阳，“脐带物质”就会自然断开。
太阳在“稀生阶段”，由于此时它的密度低，其粘黏作用弱，故此出现在太阳和类木行星之间的“脐带物质”一瞬间就断开了，其相连的时间和距离都相对较短。类木行星不会有甩离卫星，但它们的溅射卫星（即不规则卫星）肯定多，并且这些类木行星还可以生成反弹卫星（即规则卫星）[4]（151－196）。到了太阳“稠生阶段”，由于此时太阳的密度变稠，在反弹的类地行星与太阳之间所出现的“脐带物质”，其粘黏作用变强，相连的时间和距离都相对较长。在太阳反弹行星的一瞬间，由于被天体撞击形成的“太阳空洞”，其各面产生的填充力和汇集力不同而导致星体反弹出太阳后出现自转[4]（103－110），就有可能将紧贴着行星的“脐带物质”在离心力的作用下甩出去，形成甩离卫星。月球就是地球的甩离卫星。火星的两个卫星也可能是甩离卫星，因为它们同月球具有相同的特征。如：它们也是总以一面朝向火星。[7]（206）
图1 太阳、地球、月球分离示意图
Fig.1 The sun、the earth and the moon separation sketch map
如上图所示，太阳反弹地球时（那时还没有金星和水星），由于“脐带物质”的粘黏作用，其头部是近似圆的，而身后则拖着一个越来越细的“长尾巴”，体形相当不规则。本来地-月应该是一体的，但由于这个极热的熔融液态球体出现（由里至外、里快外慢）旋转，于是产生了这样一种矛盾：一个不规则的熔融态星体却要进行有规则的快速旋转，这样一来，必然会将该球体最不规则的凸出部分在离心力的作用下甩出去，这个被甩出去的就是月球。所以月球总是以一面对着地球。
月球在被甩出地球的时候，地球并没有出现凹的状态，更不会是太平洋的缔造者。它恰恰相反，因为熔融状的物体分离时在它们中间所具有的粘黏作用，使地球与月球分离前所接触的位置呈凸起状。当它们彻底分离拉开一定的距离后才恢复成圆型。
月球在被甩离地球之前一个较短暂的时间内，所有重元素都会在引力的作用下，迅速向地球中心沉落，而此时地核的高速自转，还没有来得及由里至外地相继传导给地幔层和地壳层。而后地幔层和地壳层才被加速到可以将“脐带物质”甩离的速度。很显然，被甩出地球而形成月球的部分绝不会是地球的核心部分，因此，月球没有铁核，月球的物质构成与地球的地壳、地幔部分相似。
需要说明的是，不见得类地行星都会有甩离卫星，这与它们当初反弹出太阳后，其自身的自转速度有关。已知火星现在自转一周是24小时37分23秒，地球现在自转一周是23小时56分4秒；这两颗行星在刚刚诞生时，自转的速度都肯定要比现在快（有学者估算要快近两倍）。所以这两颗行星都是可以甩离卫星的。而后来诞生的金星和水星，它们自转一周的时间分别是243天和59天，速度慢得不是一星半点，根本无法产生足够大的离心力，因此都不可能出现甩离卫星。
3 “脐带甩离说”的理论依据
3.1 卫星诞生的不同方式
卫星诞生的方式有三种：反弹卫星、溅射卫星和甩离卫星。[8] 类木行星虽然也可以生成反弹卫星（即规则卫星），但它们的数量相对占多数的溅射卫星（即不规则卫星）而言比较少，而且质量被限定在不能超过行星的1/1000。因为一旦比较多地超过这个限度，撞击行星的天体会将熔融态的行星击碎散开（例如小行星带）[4]（197－205），就不可能反弹出卫星来了。只有类地行星才有希望生出甩离卫星，而甩离卫星在“质量比”的问题上所受的限制条件相对要宽松得多。这就是月球与地球的质量比高达1/81的原因。
3.2 月球角动量的起因
当地球从太阳中反弹出来时，地球和它的“脐带物质”在太阳和地球体系中都具有了一定的角动量；地球沿着反弹方向和太阳自转方向的合力方向[4]（54）向外远离时，所形成的抛物线轨道，使地球的“脐带物质”像香蕉一样呈现出弯曲状，而此时地球自转甩离“脐带物质”时，又使后来的月球增加了角动量。就是说，月球曾被两次赋予动能（地球只有一次），所以月球的角动量在地-月体系角动量中，所占的比重极大，这是一个必然的结果。
3.3 密度差异的原因
地球和月球都是从太阳中反弹出来的，初始都是处于高温熔融流体状态，它们都曾经历过“岩浆海洋”的阶段。它们的密度之所以有很大的差异，原因是月球被甩离地球之前的一段短暂时间内，“脐带物质”（月球）中的重元素被引力吸引而沉落到地球中。在这个设定的初始条件中，“元素亏损”难题和“同位素”难题同时都得到合理解释。
3.4 月球围绕地球公转运行速度的分析
从现在往前追溯，月球距离地球越来越近，应该有一个“分离”的瞬间情形，这与“脐带甩离说”是相吻合的。
现在的月球，在围绕地球公转的轨道上运行的平均速度是1.023千米/秒，以月球轨道偏心率（平均）0.055为参照[5]（116），可计算出当初月球被地球甩离时的初速度约为1.08千米/秒。现在地球自转时表面一点的线速度是0.46千米/秒，按照天文学家的计算，地球最初自转一周的速度是8小时。按此计算，当时地球的直径是现在的约4/5，其表面一点运动的线速度为1.10千米/秒以上，比月球现在的最快运行速度还要快一些。也就是说，现在月球运行的速度，就是当初被地球甩离的速度所打下的基础。
3.5 月球与地球“互绕”的初始动因
月球被地球甩离时，必然会有一个“互绕”的初始状态，就像链球运动员牵着链球旋转并快速抛出时相类似，二者之间也就必然会有一个“公共引力中心”。甩离前和甩离后的突然变化，使地球无法稳定地自转和公转而出现一定幅度的“抖晃”和“摆动”，从而出现了月球伴着地球“互绕”对转、地球在公转轨道上呈波浪般图形“踉跄”运行的情况。可以说，这恰恰是地球的“极移”、“岁差”和“章动”等现象出现的原因之一。
3.6 白道与黄道、赤道均有倾角但又都有交点的原因
当地球从太阳中反弹出来时，它的“脐带物质”(月球)是处于黄道上以“虎头蛇尾”弯曲的形态与地球相连，由于地球自转方向的平面（赤道）不与黄道平行，因此，月球被地球甩离时，既会受到甩离前在黄道上惯性力的牵制，又会受到地球自转（向赤道）方向移动力的牵制，从而 “折中”后形成自己的轨道。因此，不但黄赤交角会产生变化，白道与黄道交角、白道与赤道交角都会出现变化。也就是说，不但白道和黄道有两个交点（一个是升交点，一个是降交点），白道和赤道也有两个交点（一个是高交点，一个是低交点）。白道和黄道的交点，是“脐带物质”曾在黄道上留存过的“记忆”反映；白道和赤道的交点，是“脐带物质”曾被地球自转方向牵引过的“记忆”反映。
3.7 月球“进动”的分析
月球在围绕地球公转的轨道上运动，也有进动的现象，使白道与黄道的交线存在着周期变化，每18.6年旋转一周。而地球“章动”的周期也恰好是18.6年，这不是巧合。这一现象的原因是：一个高速自转的天体所抛射甩离出去的物质，其最初的运动路线必定是不闭合的椭圆轨道；当被抛射出去的物质可以被天体引力又吸引回来形成椭圆轨道时，就必然会出现“进动”，由此循环往复，使被抛射物质的公转轨道的椭圆形长轴在空间呈现出一种不断向前移动的复杂曲线运动[4]（74－75）。
3.8 对“构成有别”的分析
地球与月球在物质构成的“体态”上有明显的差异，主要原因是地球曾经像吸血鬼一样从月球身上“吸嗜精华”所致。虽然地球与“脐带物质”（月球）相连的时间并没有多长，但它以81︰1的悬殊比例占据着明显的质量优势，可以将月球中最不容易丧失热能的流体物质快速吸至地球中，再加上二者的体积不同，尤其是地球又形成了厚厚的大气层，起到了“天然屏障”的作用，导致整个星体向冷却固态演化的速度出现不同，造成月球现在已经完全冷却固态化，而地球的内部还在热火朝天地沸腾着。
4 结论
综上所述，“月球”形成之前是太阳（母体）和地球（子体）之间的“脐带物质”，后成为地球的“甩离卫星”。得出这一结论的基础是：“脐带甩离说”在月球起源的问题上，可同时将10个难题作出较合理的解释，并且在这各种解释之间并不矛盾，因此，它比其他假说更合理、更具有说服力。
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作者简介：张春津，天津工人报社记者兼编辑，天津市河西区尖山路78号，天津市天文学会会员，研究方向为太阳系起源与宇宙学；E-mail：weiquan51@163.com
