尽管月球是我们最近、最熟悉的宇宙邻居，但关于它是如何形成的这个问题却出人意料地悬而未决且充满争议。科学家们普遍认为，大约45亿年前，一个名为忒伊亚的大型物体撞击了地球——这个观点被称为大碰撞假说。然而，接下来发生了什么尚有争议。一些科学家赞成“经典”模型，即撞击产生大量碎片，逐渐凝结成月球，而地球则完好无损。另一些科学家则赞成更激进的模型，例如地球和忒伊亚汽化并产生一个甜甜圈状的超热碎片环被称为合体星，最终形成了我们的行星及其天然卫星。但普渡大学的杰伊·梅洛什指出，“[这些理论]都没有在科学界达成共识。”
发表在《自然·地球科学》上的一项新研究可能解决了一些问题。新墨西哥大学的埃里克·卡诺和他的同事检查了阿波罗任务收集的月球表面样本，发现你越深入表面，月球看起来就越不像地球。这一结果表明，月球和我们的星球在成分上并不像曾经认为的那么相同，这可能会排除合体星模型，该模型假设后一个天体和忒伊亚在分离成地球及其卫星之前充分混合了它们的物质。这些发现可能让人回想起更经典的月球形成模型。“人们为此争论了60年，”加州大学圣地亚哥分校的马克·蒂门斯说，他是该论文的审稿人之一。“你能识别出月球的一部分来自撞击体，这真是一个大新闻。”
我们比较地球和月球成分的关键方法之一是测量氧同位素——即质量不同的氧原子——它们存在于样本中。在太阳系内不同位置形成的天体被认为具有不同数量的此类同位素。之前的研究发现，如果你对每个天体上采集样本的位置进行平均，月球的同位素与地球的同位素非常相似。这一观察结果表明，要么发生了大量的地球-忒伊亚混合，要么忒伊亚在我们星球形成的太阳系中的位置相似。如果忒伊亚在不同的位置形成，或者碰撞后混合程度很小，那么同位素应该有更大的差异。
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但是，卡诺的团队并没有对样本进行平均，而是查看了每个样本在月球上的来源，并发现了显着的差异。研究人员发现，尽管靠近表面的氧同位素与地球的相似，但较低处的氧同位素却不同。“相同的氧同位素值是大碰撞假说的一个难题，因为这些模型预测月球主要由撞击体的物质构成，”卡诺说。“我们发现的是，氧同位素值实际上存在变化，具体取决于不同的岩石类型。”
结果表明，忒伊亚的残余物在撞击后被储存在月球地幔深处。与此同时，在表面，撞击产生的汽化硅酸盐岩石大气逐渐淋在月球上，用来自地球的物质污染了它。“这像雨一样落在熔融的月球上。然而，它并没有完全混合到月球岩浆海洋中，”卡诺说。“这就是为什么我们认为来自最深[区域]的样本受到的污染最少。”
梅洛什说，这些发现可能对月球形成争论产生重大影响。“这一结果的总体含义是，它可能会排除，或至少对合体星模型产生一些怀疑，”他说。然而，加州大学戴维斯分校的莎拉·斯图尔特——她与同事西蒙·洛克在2018年提出了合体星模型——表示，这些发现并没有完全否定她的理论。关于月球形成的重大问题仍然存在，尤其是为什么地球的氧同位素似乎比其他地方（如火星）更接近忒伊亚的氧同位素。“我们仍然面临着用一个必须非常靠近地球的物体或事件期间大量混合来制造月球的问题，”她说。“究竟有多少[混合]仍然是一个悬而未决的问题。”
然而，新的结果表明，关于月球成分仍有很多东西需要了解，科学家可能还需要一段时间才能就关于卫星如何形成的单一理论达成一致。“很多人真的有兴趣了解它是如何制造的，”蒂门斯说。但是，如果在地表之下确实存在忒伊亚的“确凿证据”，它可能有助于我们最终弄清楚这个撞击体来自哪里，以及它是如何导致我们的宇宙邻居诞生的。