1971年8月1日，当阿波罗15号宇航员大卫·斯科特和詹姆斯·欧文在寂静、宁静的月球表面，探索被称为雨海的熔岩平原东缘时，他们发现了一些非凡的东西：一块极其古老的月球地壳碎片，一块超过四十亿年的遗迹，其中蕴藏着月球形成的线索。斯科特看到嵌入后来被称为“创世纪岩”中的古老晶体的闪光，立即意识到它在解开月球如何形成的谜团方面的潜在重要性。“我想我们找到了我们来这里的目的，”当他和欧文取出岩石并将其放入袋子时，他向任务控制中心发出无线电信号。它将成为阿波罗计划最伟大的科学遗产的关键组成部分。
对创世纪岩以及阿波罗宇航员带回地球的其他近400公斤样本的研究，颠覆了我们对月球历史的理解。在一次科学重启中，这些珍贵的样本否定了当时流行的理论——月球是被地球引力捕获的，或者与地球同时形成——同时揭示了重要的新细节，例如新生卫星曾被岩浆海洋覆盖。
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形成月球岩浆海洋所需的巨大能量指向了一个关于月球起源的激进新想法：地球最近的伙伴是从一次巨大撞击中形成的，即原始地球和另一个行星体之间的碰撞。这个概念建立在表明正在生长的行星会彼此碰撞的计算，以及月球成分与地球岩石地幔成分惊人相似的奇特事实上。一些研究人员甚至提出，这样的撞击设定了年轻地球的自转，从而建立了我们星球上24小时昼夜循环。从这些早期研究中出现的规范巨型撞击假说提出，与一个火星大小的天体的掠射碰撞在地球周围产生了一个由岩石碎片组成的热盘。然后月球从这个盘中凝聚而成——这种情况可以解释月球的大质量以及缺乏水和其他挥发物。
然而，巨型撞击假说并非没有缺陷。其中最主要的是地球和月球之间惊人的化学关系。这两个天体由相同的源材料制成，仿佛它们是行星双胞胎，而规范假说预测月球应该主要由其火星大小的前身组成。该前身应在成分上与原始地球不同，因为从年轻太阳周围的气体和尘埃盘中生长的行星将根据其轨道位置各自包含独特的构建块混合物。科学家可以通过非常精确地测量岩石中同位素的相对丰度来辨别这些差异，从而为太阳系中的每个行星体产生独特的“同位素指纹”——除了地球和月球，奇怪的是，它们似乎几乎相同。
几十年来，这场同位素危机一直困扰着巨型撞击假说，但对于月球起源，没有出现更好的解释。然而，现在，在另一次科学重启中，我们发现大多数巨型撞击不会制造出被碎片盘包围的行星。事实上，大多数巨型撞击根本不会制造行星。相反，它们创造了一种全新的天文物体类别，一种行星和星盘之间的瞬态混合体，称为合星盘，它可以解释月球的许多最神秘的特征。
隐藏在众目睽睽之下
合星盘的发现可以追溯到几年前，当时我们（洛克和斯图尔特）正在思考一次形成月球的巨型撞击是否设定了地球一天的长度。这个昼夜周期通过一个基本的物理定律——角动量守恒——与巨型撞击联系在一起。回溯到过去，月球离地球更近，为了守恒角动量，地球自转得更快——快得多：它本应该有一天的五个小时。其他科学家发现，火星大小的天体的掠射巨型撞击可以设定地球和月球的总角动量。但是，如果其他因素设定了地球的一天长度，那么形成月球的事件可能具有更多（或更少）的角动量，从而为更广泛的可能撞击情景打开了大门。而具有更大角动量和更多能量的巨型撞击，在非常罕见的情况下，可能导致两个碰撞天体的物质的公平混合，这可能解释地球和月球作为同位素双胞胎的地位。
在对大约100种不同情景的高能量、高角动量、形成月球的巨型撞击的模拟中检查这个问题时，我们遇到了看似荒谬的结果。我们绘制的每个撞击后情景的图表都没有显示我们预期的“行星”和“星盘”之间的整洁划分。撞击后的行星又热又大，它们的岩石地幔部分汽化并膨胀到地球当前体积的100多倍，如此膨胀以至于它们与环绕的星盘连接起来。由此产生的物体不再像正常的行星或星盘，而是介于两者之间的东西。在灵光一闪中，我们意识到这些巨型撞击正在制造新的东西。但是我们无法立即理解它是什么。我们当时不知道该怎么称呼它，但我们看到了我们的第一个合星盘。
致谢：詹·克里斯蒂安森
为了理解我们所看到的，我们回到了第一原理，重新审视了诸如“行星”的工作定义之类的基本概念。行星的部分定义是其球状形状，这来自于天体自身的引力足够强大，可以像流体一样使岩石变形。行星一起旋转，只有来自任何内部动力学的小变化。我们使用流体动力学代码来计算当类地行星的岩石地幔缓慢加热时会发生什么，观察我们的模型显示行星随着岩石开始汽化而膨胀。在巨型撞击后的极端温度下，该天体类似于气体巨星——足够热以至于缺乏真正的表面，只有一个厚厚的岩石蒸汽大气层，随着深度的增加而变得更密集。如果这样的世界以五小时的一天旋转，即使随着温度升高而体积膨胀，它也保持大致球状的形状。
但是，如果行星旋转得更快，随着它的升温，会发生一些令人惊讶的事情。随着行星的赤道膨胀，它达到一个点，在该点赤道的旋转速度与在轨道上一样快。我们称此点为共转极限。只需再加热一点，物质就会从行星的赤道流入轨道。突然，一股蒸汽鳍从它的赤道突出，行星变成了其他东西。与行星不同，它不再是一个简单的球体。此外，与行星不同，它不再具有凝聚力地旋转，而是具有一个内部共转区域和一个旋转速度较慢的外部区域。经过一番思考，我们选择将这种新的天体生物命名为合星盘，以希腊炉灶和家庭女神赫斯提亚的名字命名——因为我们相信地球曾经是这些火热的物体之一。（“合”字强调了行星和星盘中所有相互连接的物质之间存在的协同作用。）当热量和自转迫使行星超过球状形状的极限时，合星盘就是行星变成的东西。
很快，我们在计算机模型中制造了数百个合星盘，将旋转行星加热到超过共转极限。合星盘可以具有各种形状和大小，具体取决于质量、能量和角动量如何在整个天体中分布。合星盘的属性取决于它的制造方式。轻轻加热行星会使合星盘看起来像一个矮胖的飞碟，但巨型撞击会制造出巨大的蓬松合星盘，形状更像甜甜圈或奶油馅糕点。在更好地理解了这些物体是如何产生和显现的之后，我们开始挖掘我们之前所有巨型撞击的模拟，并在那里也发现了合星盘。事实证明，多年来我们一直在意外地制造合星盘。事实上，大多数研究巨型撞击的科学家都无意中将合星盘放在他们的建模数据中，只是等待被识别为科学界的新奇特物体。
没有人早先注意到它们的事实是期望错位的问题。在可能的形成月球的巨型撞击范围内，规范的火星大小撞击体的能量和角动量太低，无法产生合星盘。通过关注火星大小的撞击体，整个领域——几代科学家——被误导地认为行星和星盘是巨型撞击的标准结果。
对我们来说，下一个明显的步骤是模拟合星盘应该在行星形成的复杂过程中出现多久。我们开发了技术来绘制哪些撞击可以将行星转变为合星盘。通过将这些结果与正在生长的行星模型进行比较，我们发现合星盘不是极其罕见的怪异现象，而是年轻行星系统的非常常见但瞬态的特征。实际上，我们的模拟表明，宇宙中大多数岩石行星在其形成过程中可能已经转变为合星盘一次或多次。我们现在相信，大多数形成地球质量天体的巨型撞击也会制造合星盘。转眼间，我们发现了行星宇宙历史中缺失的一块拼图。
回到月球
然而，动机问题仍然存在：合星盘能否解释我们月球与地球的独特关系？与传统的行星周围星盘相比，合星盘是月球吸积的非常不同的环境。我们发现，从合星盘形成月球为困扰月球起源巨型撞击模型的许多问题提供了解决方案。
合星盘的表面温度由岩石的沸点决定，在低压外边缘约为2300开尔文（近3700华氏度）。在那里，通过向太空辐射热量冷却，来自形成月球的合星盘的岩石蒸汽会凝结成岩浆液滴，并像雨点一样落入其内部。岩浆雨的速率将是地球上测得的最强降雨速率的10倍。在这种情景中，月球将从一个小的熔融岩石和金属球体开始——这是最初撞击中未被汽化的一些物质。在合星盘的巨大规模面前显得相形见绌，新生的月球实际上会在合星盘发光的蒸汽深处轨道运行，周围环绕着大量高压气态岩石，并随着吸收的每一滴落下的岩浆雨而生长。合星盘会随着冷却而收缩，因此经过数十年后，它会充分收缩，使其外边缘在月球轨道内退缩。在那一刻，月球将会出现，从垂死的合星盘中诞生。
这个故事可以解释为什么地球和月球是同位素双胞胎，因为合星盘是由来自两个碰撞天体的汽化和充分混合的物质形成的。此外，合星盘的倾盆岩浆雨和湍流蒸汽将驱动更多混合物遍布天体的很大一部分。如果合星盘充分混合，月球将获得与地球相同的同位素比率。
合星盘还可以解释规范巨型撞击假说无法解释的其他几个月球谜团。例如，尽管月球具有与地球相同的同位素指纹，但它并不具有完全相同的化学成分。与地球相比，月球的极易挥发元素（如氢和氮）以及中等挥发性元素（如钠和钾）的丰度较低。规范假说并未明确解释这些奇特的特征。然而，它们自然而然地来自在合星盘的“烤箱”中以几千度“烘烤”一个正在生长的月球。
更易挥发的元素会优先留在合星盘的蒸汽中，因此月球永远不会获得与地球相似的这些元素的丰度。留在蒸汽中的挥发性元素会随着收缩的合星盘向内移动，成为地球的一部分。在哈佛大学的同事米沙·佩塔耶夫和斯坦·雅各布森的帮助下，我们证明了中等挥发性月球元素的模式和丰度可以通过月球与合星盘内部汽化元素达到化学平衡来解释。简而言之，出生在合星盘中自然解释了为什么月球的成分与地球相似，但挥发性元素的丰度较低。我们制造月球化学成分的简单配方如下：汽化两个碰撞的行星体，充分混合，并在4000摄氏度（超过7000华氏度）的对流烤箱中烘烤10到100年。
最后，合星盘可以解释月球轨道中其他神秘的怪癖。奇怪的是，月球的轨道平面与地球绕太阳运行的平面（称为黄道面）不在同一平面上。相反，月球的轨道相对于黄道面倾斜约五度。轨道的倾斜是为什么我们不是每个月都有月全食，而只是在地球、月球和太阳对齐的罕见情况下才有月全食。然而，在巨型撞击之后，如果月球是从行星周围的星盘或合星盘形成的，那么天真的期望是它应该在黄道面内轨道运行。那么为什么月球轨道会倾斜呢？
SETI研究所理论家马蒂亚·库克及其同事提出的关于月球轨道如何随时间变化的新模型可以解释月球轨道的倾斜和地球一天的长度。巨型撞击可能使原始地球侧翻，并产生一个自转轴倾斜接近黄道面的合星盘。月球会在地球赤道平面内形成，其轨道也远离黄道面倾斜。随着时间的推移，与太阳的共振相互作用会将地球的自转轴拉得更直立到目前的23度倾斜。地球的自转速度在这个过程中会减慢，我们的星球会被稍微推离太阳以守恒角动量。随着月球通过在地球上引起潮汐来消散其轨道能量，它将缓慢地远离地球，从而将月球相对于黄道面的倾斜度降低到目前的方位。因此，一次创造了倾斜合星盘的巨型撞击可以解释地球及其卫星的许多关键动力学特征。
总而言之，合星盘的自然优雅和解释力挽救了巨型撞击假说——并永久性地改变了月球起源研究的竞争格局。
实现阿波罗的遗产
如果没有阿波罗宇航员收集的岩石数据，我们可能会对月球是如何形成的有一个不完整，甚至错误的认识。解释数据的挑战导致了合星盘的发现。现在，我们新的挑战是进一步发展我们对合星盘及其在行星形成中的作用的理解。我们才刚刚开始这项探索。
我们的形成月球的合星盘模型可以通过改进其对月球成分的化学和同位素预测来测试。我们仍在从阿波罗任务收集的样本中学习——半个世纪的仪器进步使我们能够提取更准确和详细的数据。但是阿波罗样本是一种有限的资源，在覆盖范围和完整性方面存在巨大差距。我们比以往任何时候都更需要来自月球地幔的岩石，以构建更好的月球整体成分化学模型。重返月球以获取来自地幔的样本，地幔的部分应该暴露在大型撞击坑内部和周围，这将使我们能够对这项至关重要的测量做出新的预测。与此同时，地球上的岩石可能为月球起源提供额外的重要线索。最近人们意识到，地球地幔的最深区域包含在形成月球的巨型撞击中幸存下来的物质痕迹。无论形成月球的过程是什么，都不可能抹去这些化学记录。通过结合来自地球和月球的数据，我们希望拼凑出我们对形成这两个天体的合星盘的看法。
理解合星盘的帮助也可能来自我们太阳系之外。到目前为止，我们仅在计算机屏幕上将它们视为数学对象，但是合星盘可能不会长期停留在纯粹理论概念的层面。许多太空和地面望远镜都在凝视天空，寻找以外行星为轮廓衬托在其恒星明亮面孔前的外行星。由于它们的形状与球形行星非常不同，因此合星盘会在我们的望远镜上投下不寻常的阴影。其他新兴设施正在拍摄非常年轻的恒星周围行星的婴儿照片，这些行星可能仍处于形成的巨型撞击阶段。也许其中一些快照将揭示一个曾经是行星的蓬松、发光的岩石蒸汽甜甜圈。很快我们可能会瞥见我们的第一个自然合星盘，并见证导致我们自己的地球和月球形成的创造性破坏的近乎重演。