地球上的水是什麼時候形成的？這是科學家們至今還在爭執不休的課題。不過，過去人們普遍認為，起碼在地球誕生（約46億年前）最初的幾億年裡，應該不太可能有水存在。因為那時候內太陽系的幾個巖質大天體都在經歷著劇烈的小天體撞擊，完全是一個個熔融炙熱的冶煉爐。那麼很自然地，人們認為地球上的水應當形成於晚些時候，怎麼也不能比45億年更早了吧。
然而，近日，英國開放大學的Greenwood及其同事們通過測量月球的岩石樣本，發現地球上的大部分水可能在45億年前就存在了 [1]。
咦？為什麼科學家們可以通過月球的岩石找到地球上水含量變化的線索呢？這一切還得從月球的起源說起，那是很久很久以前的一天……
飛來橫禍的一天
45億年前的一天，一顆火星大小的天體從天而降，傾斜撞向了尚未完全長成的“幼年”地球。劇烈的撞擊迅速粉碎和融化了這個火星大小的天體，也把地球的一部分物質撞了出來。這些碎屑物質散落在地球四周，又通過引力和碰撞重新聚集起來，最終形成了如今的月球。
這就是著名的大撞擊假說（Giant Impact Hypothesis）為我們構建的月球起源圖景[2, 3]。科學家們還給這顆假想中的撞上地球的天體賦予了一個意味深長的名字——忒亞（Theia），她是希臘神話中的泰坦女神，也是月神塞勒涅（Selene）之母。
修修補補的幾十年——
行星科學家：寶寶心裡苦！
雖然人們對月球的起源一直有諸多猜想，但大撞擊假說是近幾十年來最受青睞的一個，因為它能較好地解釋如今地球的自轉傾角、地月系統的密度差異和軌道動力學等等這些物理關係。
但物理上的大廈蓋起來了，化學上的窟窿怎麼辦？行星科學家們可以說是絞盡腦汁地打上了各種補丁。
起初，人們想當然地認為形成月球的碎屑一定是大部分來自忒亞，小部分來自地球。如果是這樣，那麼最終形成的月球在化學成分上（比如某種元素的各種同位素比例）應該更接近忒亞而非地球，對吧？
可是阿波羅任務帶回來的月球岩石的同位素含量測量顯示，地月岩石以氧為首的一些同位素的比例像得不得了，幾乎沒有差異啊[4]。壞了，那怎麼辦？
簡單，讓忒亞和地球的化學成分相同不就行了麼，反正45億年前的忒亞是啥樣還不是靠推（瞎）理（猜）麼！
可是顯然忒亞和地球的化學成分不同才是更有可能的情況，畢竟兩個素未謀面的天體化學成分上一模一樣，這概率實在有點小。為了讓大撞擊假說更有說服力，行星地球化學家們又提出了“同位素均一理論（isotopic equilibration）”。該理論認為在當時大撞擊之後，地球外層物質和忒亞的碎屑在一個高溫熔融氣化的環境中充分混合了，所以兩者的成分變得非常相似[5]。
問題又來了，氧這樣的易揮發元素好說，但地球和月球上像鈦和鎢這樣難熔元素的同位素含量也非常相似 [6, 7]，這就解釋不通了，因為這些元素非常耐高溫，不太可能熔融氣化參與這種充分混合啊。
好說，咱們把原本的動力學模型再改改。
比如，如果最初的撞擊更劇烈。更劇烈的撞擊會撞出更多更深的地球物質，讓最終生成的月球的原材料主要來自地球而非忒亞不就結了。但更劇烈的撞擊就會讓之後的地月系統角動量比現在大不少啊，這對不上。怎麼辦？讓多出來的角動量在地月系統和太陽的軌道共振中消耗掉唄——這就是“高能撞擊模型” [8, 9]。
或者乾脆不要只撞一次了——如果是小一點的忒亞（們），多次撞擊了“幼年”地球，這些撞擊產生的碎屑就更容易充分混合和自由遷移，也可能產生目前的地月化學成分——這就是“多次撞擊假說”[10]。
可還是不對，就算大撞擊結束之後的地月岩石的化學成分可以達到一致，那畢竟也是45億年前啊！在那之後的漫長年月裡，地球和月球依然經歷了多次小行星和彗星的撞擊，這些撞擊必然為地月系統帶來了新的物質——這被稱為“後增薄層（late veneer）”[11]。新舊物質的混合會進一步改變地球和月球的化學成分，也就是說，即使45億年前的地月化學成分是一樣的，到現在也不應該一樣了。
這還沒完，不要忘了，上面這些分支假說都是在“地月岩石成分差不多”這個前提下的，可問題是，不同的研究者用不同的樣品測的結果還不一樣……有研究就表明：我們測的地球和月球的氧同位素含量明明差別很大啊，月球和地球的氧同位素含量明明有高達12 ppm的差別[12]（1 ppm=百萬分之一，支持“幾乎沒有差別”的研究認為只有不到1ppm的差別）！所以說你們這些補丁都不用打，壓根就沒有窟窿，我這兒和大撞擊理論符合得好著呢，你們洗洗睡吧！雖然，大部分行星地球化學家們都不太認可這個12ppm實驗結果[13]……
說了這麼多，其實不過是近二三十年來月球起源假說各種爭論的冰山一角……在大撞擊假說這棟大廈裡，行星科學家們就這樣補完一樓補二樓，補完二樓補三樓，補完三樓……什麼？一樓又破了？！
行星科學家們：寶寶心裡苦，難過到嗦不出話……
不過，聰明的大家一定發現了，說來說去，有一個基本的爭議點決定了後面所有假（腦）說（洞）的走向：
地球和月球的氧同位素含量到底是不是差不多啊？！這個問題實在是太關鍵了。
重測氧同位素含量
重現地球的含水量變化
近日，英國開放大學的Greenwood及其同事們又㕛叒叕測了一把地球和月球的氧同位素含量。他們的實驗中使用了最高精度的同位素測量方法，囊括了目前為止最全面的月球和地球岩石樣本。結果顯示：月球岩石和地球玄武岩的氧同位素含量存在3-4 ppm（也就是百萬分之三到四）的差別——比12ppm小得多，但也不止1ppm那麼小。什麼意思呢？就是說，之前關於大撞擊假說的那些補丁依然有必要打，而且，還不夠。
不夠的地方在於，僅僅是撞擊之後的混合，似乎並不足以導致4ppm的差別……
Greenwood及其同事們以一種叫做頑火無球粒隕石（aubrites）的隕石代表忒亞的化學成分，模擬了撞擊之後氧同位素的混合和含量。頑火無球粒隕石富鎂、貧鐵，且的氧同位素含量和月球岩石相近，因而被認為化學成分很接近當年的撞擊物。
這個模擬結果顯示，撞擊和混合之後月球和地球岩石的氧同位素含量差異應當只有2 ppm。也就是說，地月岩石的氧同位素差異只有一半是原本的大撞擊和混合造成的。
而另一半是怎麼來的呢？那就應該是之後45億年間，小行星和彗星不斷地撞擊引起的，於是“後增薄層”不僅不是窟窿，還成了新的補丁。
這次模擬還產生了一個“副產品”——從側面限定了地球上水的起源時間。在大撞擊之後的45億年裡，無數小行星和彗星來到了地球。過去的研究認為，正是這些小行星和彗星，給地球帶來了大部分水和揮發物，再一次改變了地球岩石的氧同位素含量。然而，Greenwood及其同事們通過這次的地月岩石氧同位素含量的測量值進行推算，卻發現地球全球水量中只有5-30%是大撞擊之後地球上新增的，也就是說，地球上絕大部分的水可能在45億年前的那次大撞擊之前，就已經靜靜地存在於幼年地球上了。這也用不同方法印證了之前的研究結果[15]。
那麼這些水是如何在還未長成的地球上誕生，又是如何在大撞擊和頻繁的小型撞擊之下倖存的？這些都還有待行星科學家們繼續探索。另一方面，如果在行星形成早期就能有大量的水存在，那麼經歷過相似階段的系外行星上，有液態水和生命的希望似乎也大了不少。
至於大撞擊假說這棟大廈將來會怎麼樣嘛……或許有一天，行星科學家們能把所有的補丁都給完美補上，也或許有一天，補丁打太多大廈直接就塌了……誰知道呢？
致謝本文感謝好友Yanhao Lin, Shaofan Che, Le Qiao, Boyang Liu，Yuki小柒的審稿和對本文內容提升所提供的幫助。
作者名片
排版：曉嵐
參考文獻：
[1] Greenwood, R. C., Barrat, J. A., Miller, M. F., Anand, M., Dauphas, N., Franchi, I. A., ... Starkey, N. A. (2018). Oxygen isotopic evidence for accretion of Earth’s water before a high-energy Moon-forming giant impact. Science advances, 4(3), eaao5928.
[2] Hartmann, W. K., Davis, D. R. (1975). Satellite-sized planetesimals and lunar origin. Icarus, 24(4), 504-515.
[3] Canup, R. M., Asphaug, E. (2001). Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation. Nature, 412(6848), 708.
[4] Wiechert, U., Halliday, A. N., Lee, D. C., Snyder, G. A., Taylor, L. A., Rumble, D. (2001). Oxygen isotopes and the Moon-forming giant impact. Science, 294(5541), 345-348.
[5] Pahlevan, K., Stevenson, D. J. (2007). Equilibration in the aftermath of the lunar-forming giant impact. Earth and Planetary Science Letters, 262(3-4), 438-449.
[6] Zhang, J., Dauphas, N., Davis, A. M., Leya, I., Fedkin, A. (2012). The proto-Earth as a significant source of lunar material. Nature Geoscience, 5(4), 251.
[7] Dauphas, N., Burkhardt, C., Warren, P. H., Fang-Zhen, T. (2014). Geochemical arguments for an Earth-like Moon-forming impactor. Phil. Trans. R. Soc. A, 372(2024), 20130244.
[8] Ćuk, M., Stewart, S. T. (2012). Making the Moon from a fast-spinning Earth: a giant impact followed by resonant despinning. science, 338(6110), 1047-1052.
[9] Canup, R. M. (2012). Forming a Moon with an Earth-like composition via a giant impact. Science, 1226073.
[10] Rufu, R., Aharonson, O., Perets, H. B. (2017). A multiple-impact origin for the Moon. Nature Geoscience, 10(2), 89.
[11] Walker, R. J., Bermingham, K., Liu, J., Puchtel, I. S., Touboul, M., Worsham, E. A. (2015). In search of late-stage planetary building blocks. Chemical Geology, 411, 125-142.
[12] Herwartz, D., Pack, A., Friedrichs, B., Bischoff, A. (2014). Identification of the giant impactor Theia in lunar rocks. Science, 344(6188), 1146-1150.
[13] Young, E. D., Kohl, I. E., Warren, P. H., Rubie, D. C., Jacobson, S. A., Morbidelli, A. (2016). Oxygen isotopic evidence for vigorous mixing during the Moon-forming giant impact. Science, 351(6272), 493-496.
[14] Kleine, T. (2011). Geoscience: Earth's patchy late veneer. Nature, 477(7363), 168.
[15] Fischer-Gödde, M., Kleine, T. (2017). Ruthenium isotopic evidence for an inner Solar System origin of the late veneer. Nature, 541(7638), 525.
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