关于月球起源于火星、月球原星碰撞后被地球捕获的推导
【摘要】：
在研究太阳系演化过程中，通过对太阳系各行星数据制作趋势变化图，发现火星所在区域数据异常，存在物质缺失不足倾向。结合火星、月球、地球相关数据、资料，认为月球是由月球原星与火星碰撞后被地球捕获所形成的结论相对于其他月球起源理论更有说服力。
【关键词】：月球，火星，地球，起源，演化，太阳系
自2004年，中国正式开展月球探测工程以来、月球在国内受到了广泛关注，但是关于月球起源的问题，一直都有争论。火星是离地球最近的行星，也是被认为最适宜人类移民的星球。因此，月球、火星一直备受科学家的关注。
对于月球起源、火星演化这些发生在亿万年之前的事情，仅凭现有的资料，追溯起源相当困难。牛顿第一定律认为：一切物体在不受外力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态，该定律又被称为“惯性定律”，在金融市场趋势具有惯性同样被普遍接受。因此，结合已知数据、资料，采用适当的逻辑、定理追溯历史具备科学性。
通过发现问题、分析问题、解决问题可以让我们不断改进、提高。在研究太阳系八大行星的时，通过对各行星同类数据在坐标轴上取点、连线，形成变化趋势线。发现火星轨道区域不符合趋势变化规律，对于发生违背趋势的地方，重点分析其是否受到未知的“外力的作用”。而通过不断的深入分析，有了新的发现。
1、对太阳系主要星体画趋势图后的意外发现
1.1太阳系的组成
太阳系是以太阳为中心，和所有受到太阳引力约束天体的集合体，8颗行星（按离太阳从近到远的顺序）分别是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星（曾经被认为是“九大行星”之一的冥王星于2006年8月24日被定义为矮行星）。以及至少173颗已知的卫星、5颗已经辨认出来的矮行星和数以亿计的太阳系小天体。月球由于不是环绕太阳旋转而是环绕行星旋转被定义为卫星。
1.2太阳系主要星体的基本数据表：
表（1 ）太阳系主要星体数据表
太阳系主要星体数据表
注：1、太阳数据[2](p4)
2、八大行星数据，参考《通古博今网络大典Z203》；来源：《烁光资料》、INTERNET／制表：王仁沛；最后修订与2012年9月[3]
1.3依据太阳系主要星体数据做趋势变化图
依据表（一）的各星体直径制作趋势变化图。
图（一）是太阳系主要星体直径变化趋势图，从趋势线中可以看出，各个星体直径的起伏变化：太阳到水星是近乎垂直的下降；水星、金星、地球直径呈现递增变化；在火星的位置一个大幅减少后，又在木星的位置大幅增加，木星、土星、天王星、海王星直径呈现递减变化。
注：1、图（一）中“横轴”没有计入各个星体距离的实际数值，为了制图方便，采用了等距计算。因为星体实际位置关系并不影响“竖轴”的整体趋势变化。
2、关于质量、体积、重力加速度、逃逸速度的变化趋势图也与图（一）变化趋势变化相似。
1.4 火星轨道区域数据存在异常
注：1、红色线为实际趋势变化，蓝色线为理论设定趋势变化。
[if !supportLists]2、[endif]该图优化了因太阳、木星参数巨大对其它行星趋势变化的影响。
1.4.1以趋势分析方法分析图表。认为火星参数不符合趋势变化
由图（一）的趋势线变化规律，得出一张简图——图（二），图（二）显示了太阳系各星体变化趋势。对于趋势线的分析、研究，在经济、金融领域应用比较广泛。在图（二）显示的星体变化趋势中，火星的显得比较异常。
得出这样的结论是因为，趋势具有惯性，在水星到木星的变化过程中是一个逐步递增的趋势，按趋势变化的规则来讲，火星的位置上应该存在着的是一颗比地球大的行星。但实际情况是火星比地球要小，在图（一）以及体积、质量数据所做的趋势线当中，火星的位置都发生了突然的骤减，然后在木星的位置又迅速骤增。这种情况通常显示，火星及其所在区域数据异常。
1.4.2从轨道面积计算。火星质量不正常
我们早知道八大行星的运行轨道面积是不断增大。水星、金星、地球、木星四颗星体的直径都是在不断增大的。这说明水星到木星轨道间的物质分布应该是相对均匀的，那么火星的轨道面积的物质总应该等于或大于地球轨道面积的物质总和。
重力加速度、逃逸速度但实际情况是火星的质量约为地球的11%，存在明显质量缺失。即使把火卫一、火卫二以及内小行星带内的小行星质量都计入火星质量，仍然有较大的质量缺失。依此推断火星轨道区域可能曾经发生过重大天文事件，导致了该区域物质大量流失。为了验证这个推理是否正确，对火星进行了深入的分析。
2、火星相关资料显示火星曾经发生过巨大的撞击事件
2.1火星的基本情况
火星是太阳系八大行星之一，属于类地行星，半径约为月球的两倍、地球的一半，密度与月球相近，磁场很微弱。内部构造都有地壳、地幔、铁质地核。火星自转周期为24小时37分比地球的一天长41分钟；自转轴与轨道平面的垂直方向都有倾角，从而也有与地球相似的四季变化；都有两个白色的极冠；也都有大气和卫星（火卫一、火卫二）。
火星表面积相当于地球陆地面积，橘红色的外表是因为地表被赤铁矿覆盖，地表沙丘、砾石遍布，基本上算是沙漠行星；地形多样，也有高山、平原、峡谷。地质活动不活跃，南北半球差异巨大，南半球是充满陨石坑的古老高地，北半球则是被熔岩填平的平原。火星的大气密度只有地球的1%，表面平均温度在零下55摄氏度。
2.2火星的一些独特情况
2.2.1红色是火星的独特标志，这是因为火星土壤的含铁量高（12%），厚达20米的火星风化层土因含氧化铁而呈现红色，这么厚厚一层“铁锈”般的土壤铺在火星上，才导致火星的发红，火星的岩石上也有层红色的火星土，许多岩石有两种颜色：向风的一侧呈淡蓝色，背风的一侧呈土红色，而一半埋在土中的岩石则是白色。
2.2.2火星上的奥林匹斯火山是太阳系已知山脉中最大的，他比周围的火星表面平均高度高出25千米底部直径有700千米，火山口径达80千米。名为水手峡谷的雄伟山谷前后延展了超过4500公里，最宽处超过600公里宽，而往下约8公里深。
2.2.3火星上广泛分布着撞击或者火山喷发而成的深坑，比正常统计的应有的数量要多得多；火星上可以数出的宽于30千米的深坑总数为3305个，这些深坑当中3068个（占总数的90%）都处中在所谓的“二分线”以南的半球上。火星的北半球上只发现了237个大型深坑，并且是个广阔的盆地，其高度比南半球低3千米。火星南北半球之间的二分线，被高地上悬崖绝壁的陡峭边缘实际地标志在了火星的表面上。这种独特的地貌围绕着整个火星，其大致完整的圆环以大约35度的角度穿过赤道。
2.2.4火星的轨道极度偏离中心，呈极扁的椭圆形，这样的轨道使得火星每年离太阳有时太近，有时太远。火星的自转速度比应有的也要缓慢许多，整个磁场也非常的微小。
2.2.5火星的卫星火卫一、火卫二年龄都很古老，都是不规则的天体，离火星距离较近。其中火卫一大致27千米长、22千米宽、18千米高。火卫二的平均直径在6.2千米[4](p39-40)。
2.3火星曾经遭受过巨大撞击
2.3.1对于火星遭受撞击可能性分析
对于火星的现状，有些科学家认为，“二分线”是火星内部地质过程形成的，但是大多数科学家却赞同威廉-哈特曼的观点。1977年1月哈特曼在《科学的美国人》杂志上发表文章指出：一颗直径1000千米的小行星横向撞击一颗处于原始发展阶段的行星，这可能使该行星的原始非对称性有所提高，也许是因为撞击摧毁了行星一边的外壳…这样的碰撞可能使火星的地貌呈现出非对成性：火星的一个半球布满古老的深坑，而另一个半球几乎完全被火山改变了模样。
处在二分线以北的半球，其高度比南半球低，因次，那里必然会产生自动补偿。所以，遭到撞击、并且失去了地壳外层的，就必定是火星的北半球。唯一值得严肃对待的是：造成这条二分线的究竟是北半球遭到的多次重大碰撞，还是“一次极为巨大的撞击”
该理论不但对于火星被撞的动因没有说明外，也回避了被撞物质的去向问题。另外就是南北半球陨石坑的后续问题也涉及较少[4](p41)
Marinova、Andrews-Hanna等人曾经在英国《自然》杂志上发表了关于火星南北半球差异成因的相关研究文章，为火星曾经遭受巨大撞击提供了支持。[6]
2.3.2火星所处位置易遭受撞击事件
火星太阳系八大行星中距离内小行星带最近的。同时火星、内小行星带都处于太阳、木星、土星引力交叉区域，如果三颗星体的任何一颗出现波动，都会对内小行星带里面的小行星造成较大的影响。由于太阳的引力最强，内小行星带内的小行星脱离后，向太阳方向运动的可能性更大。火星是离小行星带最近的行星，更容易遭受撞击。从火星上大量的陨石坑，火卫一、火卫二，这两个卫星的不规则形状、不稳定的运动轨道以及地球上发现的火星陨石，都足以证明火星曾经经历过非常多的撞击事件。
从火星相关资料来看，火星北部低地较南部高地显得陨石坑少且地质年龄相对年轻，火星南北半球地质年龄、地貌存在较大的差异，对于造成南北部的巨大差异的成因，遭受强烈撞击被大多数人接受，对于遭受撞击的方式究竟是许多小行星连续撞击火星，还是与火星相近的星体直接撞击火星做了分析
从火星南部整体地址年龄较为古老，北部地址年龄较为年轻来判断，撞击点主要集中在北部。如果是许多小行星连续撞击，可能造成大面积的火山喷发，但是无法解释火星南北地势巨大的落差。那么与火星质量、体积，密度相似的快速自转星体与火星北部相擦，撞击部分脱离火星导致了现在我们观测到的南北部巨大差异现象。
2.3.4对撞击发生后撞击星体和撞击物质去向的推导
火星发生撞击后，撞击星体和撞击物质去向有以下三种可能。
第一：被火星吸积，成为火星的一部分
第二：被太阳引力吸引，向太阳运动。被地球、金星、水星、太阳捕获或者吸积。
第三：冲出小行星带，被木星、土星吸积，或者冲出太阳系。
对比第二点、第三点，依据太阳的引力远大于木星、土星推断，撞击剩余物质向太阳运动的可能性大于向木星、土星运动的可能性。那么撞击剩余物质是被火星吸积还是被太阳吸引，从现在的八大行星数据变化趋图中火星区域存在物质不足以及火星的南北半球巨大差异推断，撞击物质被太阳吸引，向太阳运动的可能性更高。
对于撞击物质的去向分析，因为第二点的可能性最高，所以把分析方向重点放在内太阳系。经过对水星、金星、地球、月球的分析，发现地月关系存在一些争论，尤其是关于月球来源存在多种假说，于是把分析重点锁定在地球、月球。
[if !supportLists]3、[endif]月球相关资料显示月球曾经发生过巨大的撞击事件
3.1月球的基本情况
月球是一个南北稍扁、赤道略鼓的圆球体。其直径为3476千米。质量约为地球的1/81；体积只有地球的1/49；表面积是地球的1/14；月球的平均密度为3.34g/cm3。
月球表面基本上没有大气，表面总体上可分为月海、高地两大地理单元。月海约占月表面积的17%，绝大多数月海分布在月球的正面（即向着地球的一面），约占整个正面半球表面积的一半，尤以北半球的月海分布更为显著。只有东海、莫斯科海和智海位于月球背面（中国科学院地球化学研究所，1977）。大多数月海具有圆形封闭的特点，圆形封闭的月海大多为山脉（细长伸延的山地）所包围，类似于地球上的盆地。（Oberbeck, et al,1974）。最典型的是雨海，其四周围环绕着亚平宁、高加索、阿尔卑斯、朱拉和喀尔巴阡等山脉（Preter，1999）。月海平原为玄武岩质熔岩所覆盖，地势比月球高地要低得多，如静海和澄海比月球平均水准面低1700米左右，湿海低5200米，最低的雨海东南部，其最深处比月球平均水准面低6000多米。月海平原上常见有一些岭型隆起，称为海岭。按其形态，大体上可分为弧形海岭、呈对角线分布的海岭和脉状不规则海岭。
高地是指月球表面高出月海的地区，一般高出月球水准面约2至3千米，面积约占月表面积的83%。在月球正面，高地的总面积和月海的总面积大体相等；在月球背面，则高地的面积要大得多。撞击坑密度最大的山地区位于月面中南部，自该区向北、西、东方向，撞击坑密度逐渐减小。月海平原的撞击坑密度较小，尤以雨海、澄海以及这两个粤海之间的亚平宁山脉和高加索山脉为最小。[1](p56-66)
月球与地球构成一个行星系统——地月系，地月系以他们的公共质心一起围绕太阳运动，月球又以椭圆轨道绕地球运动。除了绕地球公转，月球本身还在自转。由于月球自转的周期恰好等于它绕地球的公转周期，而其自转和绕地球公转均为逆时针方向，因次我们地球上永远只能看到月球的一面，另外半个球面总是背向地球。[1]p13-20
3.2月球起源的几种假说
[if !supportLists]1）[endif]新、旧捕获说：该该学说依据月球平均密度和化学组成不同于地球的特征，认为地球与月球不属于同一星云团物质形成的。由于地—月轨道的变化，在1至10个地球半径范围内，月球就可能被地球捕获。尔后，由于地球的引力改变了月球原来的运行轨道，使月球最终成为地球的卫星。该学说虽然能够解释部分观测事实，但是对于月球来源始终无法给出合理解释。
[if !supportLists]2）[endif]共振潮汐分裂说：认为地球初始熔融状态，由于潮汐共振，在赤道面上一部分熔体被分裂，冷凝后形成月球。，由于地、月地质年龄相差太大且地月地质不同，现在已经被大多数科学家所摈弃 。
[if !supportLists]3）[endif]同源双星说：认为月球与地球在太阳星云凝聚过程中同时“出生”,或者说在星云的同一区域同时形成了地球和月球，月球被地球捕获形成地月系统。同源说力图合理解释地球与月球成分差异和月球的核、幔与壳的组成，但其模式与太阳星云的凝聚过程和地月系的运动特征不尽相符。因此，这一假说也不尽人意。
[if !supportLists]4）[endif]撞击说：认为在太阳系形成早期，行星际空间有大量星云,星云经过碰撞、吸积而逐渐增大。大约在相当地月系统存在的空间范围内，形成了一个质量相当于现在地球质量9/10的“原地球”和另一个火星大小的天体“原月球”。这两个天体在各自的演化过程中都形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐组成的幔和壳。由于这两个天体相距不远，因此有机会发生碰撞，剧烈的碰撞不仅使“原地球”的自转产生了偏斜，而且使“原月球”碎裂，幔和壳变热蒸发，膨胀的气体“裹挟”着尘埃和少量的幔物质飞离原月球。被分离的金属核因受膨胀气体的阻碍而减速，被“原地球”吸积并变成了地球的一部分。飞离的气体尘埃 物质受地球引力的作用，呈盘状分布在洛希限以外的空间，它们通过吸积，先形成一些小天体，然后像滚雪球一样不断吸积增长，最终形成现在的月球。该学说能解释更多的观测事实，从“阿波罗计划”之后，科学家获得了大量令人震撼的照片和382千克月球的土壤岩石，月球起源“撞击分裂说”逐渐成为了当前最合理的月球起源假说。[1](p241-243)
3.3月球的数据、资料显示月球曾经发生过剧烈撞击事件。
月球表面大气基本没有，磁场极度微小，月球早期的岩浆、火山活动必然释放出大量火山气体，但这些气体早已逃逸殆尽，没有留下可供追索的痕迹；现有的探测资料证明，31亿年前月球曾经有过全球性偶极磁场，但是现在磁场几乎没有。月球地形地貌主要包括月海、高地与撞击坑。绝大多数月海分布在月球正面，而背面却以高地为主，月海分布很少。
目前、人类对月球的大地构造认识完全基于对全月球的小比例尺（1:2 000 000）遥感影像的解释，因而存在难以确定的多解性。月球自身的大地构造区划的理论框架至今仍未建立，月球是否含有水，目前仍旧没有结论。月球的内部结构与地球和其它类地行星相似，可以划分出月壳、月幔和月核。但是月球内部层圈结构的成因模型尚缺乏。月球内部物质分布极不均一性。[1]p7-11
月球的正面、背面的地质差异，显示月球曾经发生过剧烈撞击事件。目前“月球大碰撞分裂说”也从许侧面证明月球曾经发生过剧烈撞击事件。那么需要关注的重点将转变为月球的撞击事件是月球与地球发生撞击，还是与其它星体发生撞击。
3.4月球起源汇总
通过汇总几种月球起源假说，月球起源概括为下三种
第一：月球来源于地球捕获
第二：月球来源于地球同轨道
第三：月球来源于地球遭遇撞击分裂
由于地球、月球的物质组成、平均密度存在较大差别，第二条可能性较低。第一条和第三条同样被多数数据支持，那么地球变为重点分析对象。
4、地球缺乏遭受重大撞击事件的证据
4.1地球的基本情况
地球是太阳系八大行星之一，距离太阳1个天文单位。按离太阳由近及远的次序排为第三颗。地球赤道半径6378.137千米，极半径6356.752千米，平均半径约6371千米，赤道周长大约为40076千米，地球上71%为海洋，29%为陆地，所以太空上看地球呈蓝色。地球是目前发现的星球中人类生存的唯一星球。地球的地貌由于不断的板块运动，和形成初期早已千差万别，现在的地貌相对于地球的年龄来说非常的年轻。
地球具有明显的圈层结构，通常分为地球外圈和地球内圈两发部分。地球外圈可分为大气圈、水圈、生物圈三个次级圈层。地球内圈可划分为地壳圈、地幔圈、地核圈三个次级圈层。加上软流圈、岩石圈一般认为整个地球总共包括八个圈层，其中岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了所谓的固体地球。对于地球外圈中的大气圈、水圈和生物圈，以及岩石圈的表面，一般用直接观测和测量的方法进行研究。而地球内圈，主要用地球物理的方法，例如地震学、重力学和高精度现代空间测地技术观测的反演等进行研究。地球各圈层在分布上有一个显著的特点，即固体地球内部与表面之上的高空基本上是上下平行分布的，而在地球表面附近，各圈层则是相互渗透甚至相互重叠的，其中生物圈表现最为显著，其次是水圈。[5](7结构)
4.2地球的特点
1）地球最主要的特色就是有大量的水和丰富的生命体。
2）地球的大气圈相当浓厚且层次分明；大气圈和水圈相结合，组成地表的流体系统；地球由内到外：地核-地幔-地壳整体上非常的完整。
3）地球的磁场很完整，表面磁场强度大约在0.5至0.6高斯[2](p21-p48)
4）地球的平均密度为5.52 克每立方厘米。
4.3地球缺乏遭受巨大星体撞击事件的特征
目前对地球年龄（天文年龄）最佳估值在45.5亿年。从地球现在的各种数据来看，
[if !supportLists]1、[endif]地球具有层次分明、完整的圈层结构。月球、火星大气很少或者几乎消失。
[if !supportLists]2、[endif]地球具有完整的磁场，月球、火星遭受巨大撞击事件后磁场几乎消失。
[if !supportLists]3、[endif]地球板块运动相对频繁，地震、火山时有发生。月球、火星遭受巨大撞击事件后板块运动近乎停滞。
通过对以上三点对比，地球缺乏遭受巨大撞击事件的特征。那么月球起源于地球遭遇撞击分裂而成的说法存在较大缺陷，月球起源假说中仅剩月球源于地球捕获。现在主要问题变成了月球从哪里来？
[if !supportLists]5、[endif]月球是月球原星与火星碰撞后，被地球捕获后形成比其它月球起源学说更有说服力。
5.1总结要点
第一：通过趋势分析方法得出：火星参数异常，火星轨道区域存在大量物质缺失；
第二：通过分析火星现状得出：火星曾经发生过巨大撞击事件，发生撞击后，撞击星体不知去向；火星的轨道与地球轨道每15至17年会有一次（大冲）近距离接触，最近距离约为5500万公里；火星的平均密度在3.95g/cm^3；
第三：通过分析月球现状得出：月球曾经发生过巨大撞击事件；月球平均密度在3.34g/cm^3。
第四：通过分析地球现状得出：地球缺少遭遇巨大撞击事件的特征，月球只能是地球捕获而来，月球来源待定。
由以上四点得出：月球只能是月球原星与火星相撞后的剩余部分被地球捕获后形成。这样的结论不仅解决了火星轨道区域物质缺少的问题，还解决了月球来源问题。同样对于地球生命起源中大量水的来源给与了解释。
[if !supportLists]6. [endif]补充说明。
6.1数据、资料来源的说明
本文使用的行星数据、资料来源于专著、网络的公开，并非是实时、最新。本文主要采用新的分析方法，对已有的数据重新组合分析，从而获得不同的结论。
6.2关于火星轨道区域质量仍有缺失的说明
火星质量在八大行星趋势变化图中，显示有较大的缺失。经过本文结论粗略估算：火星的质量约为地球的11%；火卫一、火卫二、小行星带（全部小行星）三者之和，假设为一个火星的质量；月球、火星与月球撞击产生的“碎屑”质量假设为一个火星质量；那么现有火星轨道区域的总质量约为33%地球质量。此时，即使假设月球原星与火星相撞产生的“碎屑”都被地球捕获，通过这种方式的估算，所有火星轨道区域的质量相加仍然小于地球质量的一半。
这样的计算出的结果，并不足以填补八大行星质量趋势变化图中，火星轨道区域的质量缺失。即使假设火星轨道区域质量与地球轨道区域质量等同，火星轨道区域依旧有地球质量一半以上的质量不知去向。这可能会让人质疑火星轨道区域质量缺失的逻辑是否成立，八大行星的趋势变化图是否有效！
火星只是太阳系八大行星中的一颗，对于火星轨道区域质量缺失的其它部分需要结合整个太阳系的形成、演化来做分析，将在新的文章中进行论述。
参考文献
[1]欧阳自远, 月球科学概论[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2005.9
[2]胡中为, 王尔康. 行星科学导论[M]. 南京:南京大学出版社, 1998.8
[3]百度文库wrpxfhh贡献者，TGBJ丶Z203丨太阳系八大行星数据表[EB/OL] ：http://wenku.baidu.com/view/221acda50029bd64783e2cca.html，2015-4-1
[4]建川编, 神秘的火星[M]. 北京: 中国名族摄影艺术出版社, 2001.8
[5]百度百科，地球[EB/OL]. http://baike.baidu.com/link?url=LNUtNiKeAGM9IZN_DP3Pg21bSNMn-8onYuNijnrrAsOLdk2nehMlfNSnWCJGPYyKX-O22n1HKe-djX-Z6nh0122wdoD0d9gR9JD49EmEa5i，2015-4-27
[6]物理时空的博客http://blog.sina.com.cn/s/blog_4defc6ab0100agxh.html
[7]百度百科：月球起源说
https://baike.baidu.com/item/%E6%9C%88%E7%90%83%E8%B5%B7%E6%BA%90%E8%AF%B4/5919681?fr=aladdin
[8]百度百科：忒伊亚
https://baike.baidu.com/item/%E5%BF%92%E4%BC%8A%E4%BA%9A/6646384?fr=aladdin
