美国宇航局(NASA)重力恢复与内部实验室(GRAIL)探测器对月球的重力观测和NASA月球勘测轨道飞行器的地形数据显示,月球的外壳厚度和其铝含量没有原先推测的那么高。这些观测结果表明,月球和地球所含的难熔元素同样丰富,而不是先前认为的月球比地球更丰富。
这些数据共同说明月球的形成有两种可能,一是剧烈碰撞发生后,飞离地球的物质(主要由硅酸盐地幔组成)形成了月球;二是月球和地球由硅酸盐构成的地幔和地壳分别由一个相同的混合物质构成。这两种形成过程都可能存在一些特殊情况。
碰撞模式
研究者通过模拟方法研究了月球是否由碰撞形成。因为大碰撞产生的能量很高,足以熔化甚至蒸发小行星,因此压力与相变被纳入模型之中。引力的相互作用及扭矩也是模型考量的因素。大碰撞将导致星球发生扭曲,并使其喷发的碎屑形成一种盘状天体。此外,地幔与地核所包含的物质也是模型的考量内容之一。
目前最权威的撞击模型诞生于20世纪70年代,根据该模型的解释:一颗火星大小、质量约为地球的10%~15%的小行星缓慢地从侧面撞击了地球,月球因此而形成。
小行星的撞击使得地球自转速度变得极快,5小时便可自转一周,而此时月球的运行轨道距离地球很近。
引力的相互作用及扭矩导致月球的运行轨道与地球渐行渐远,在这一过程之中,地球的自转速度也在变慢,最终定格为现在的每24小时自转一周。这一模型与月球的质量相吻合,也解释了地月系统中的角动量及月球缺乏铁元素的原因。
然而,该模型很难对更复杂的化学特性给出解释。撞击模型认为月球是在盘状天体冷凝后形成的,其物质组成主要源于撞击天体的地幔。但是,撞击物不大可能与早期地球具有相同的组成物质。例如,火星氧同位素的构成与地球氧同位素的构成相差50多倍。若撞击物与地球的差异和火星与地球的差异相同,那么即便经过一次大碰撞,这种差异仍然可以被探查到。
对此,行星科学家Kaveh Pahlevan和David Stevenson于2007年提出了一个“优雅”的解释,即平衡理论。他们认为,从盘状天体和地球外部散发出的水蒸气相互混合,而这一过程发生在碰撞之后、月球形成之前。但这一提议有很多解释不通的地方。这些水蒸气要彻底完成扩散和混合至少需要100年的时间。