月球的起源是一个与潮汐同样古老的谜题。没有其他行星拥有如此独特而引人注目的伴侣：水星和金星完全没有卫星，火星有两颗土豆形状的小卫星，而气态巨行星的众多小卫星与其母行星相比微不足道。冥王星的伴侣卡戎（Charon）在相对大小上可以与之媲美，但两三个卡戎——或者说冥王星本身——都能装进月球里。我们的月球更大。即使阿波罗计划带回的样本已使所有希望破灭，某些难以回避的物理定律也让旧的月球起源理论变得可疑。主要问题与角动量有关，这是一个衡量系统旋转的物理量。在地球-月球系统中，地球的自转方向与月球的公转方向相同。物理定律要求，这两个紧密相连的旋转的总动量必须随时间保持不变。
现在我们来考虑这对“双人舞”的另一个方面：月球正以每年超过一英寸（约2.54厘米）的速度远离地球。科学家们在20世纪30年代通过古代天文记录计算出了这个速率，而阿波罗宇航员放置在月球表面的激光反射器也证实了这一点。在40多亿年前形成时，月球离其母行星要近得多——可能近了15倍。如今，它距离我们约24万英里（约38.6万公里）。最初，这个距离可能只有1.6万英里（约2.6万公里）——仅为四个地球半径。如果当时有人能看到的话，它在天空中的大小会是现在的15倍。
支配角动量的定律坚持认为，如果月球曾经离地球更近，那么地球的自转速度必然更快。这与花样滑冰运动员收紧手臂和腿时旋转得更快的原理相同。卡纳普（Canup）说，那时的白天可能只有五个小时。即便如此，动力学模型显示，古代地球的自转速度太慢，无法像裂变模型那样抛出自身的一大块。另一方面，它的自转速度又太快，不可能捕获一颗近距离轨道上的卫星。而共同吸积理论则无法为该系统提供足够的自转。阿波罗计划后不久，当这些理论的缺陷变得显而易见时，月球科学家们的幻想彻底破灭。行星科学家威廉·哈特曼（William Hartmann）回到了起点，重新开始研究。
哈特曼在图森的行星科学研究所工作，他通过研究类地行星的表面特征来寻找其形成和组成的线索。其中最显著的特征是陨石坑，即宇宙碰撞留下的麻点。最大的陨石坑往往是最古老的，这暗示了太阳系曾有过一段“好斗”的过去。这段历史始于45.6亿年前，当时第一批固体从新生太阳星云中旋转的热气体和尘埃中冷却并凝结。早期，这些团块是无害的轻量级物质，碰撞时会粘在一起。大约1亿年后，这些团块变成了庞大的“恶霸”，很可能会摧毁任何挡路的东西。其中一些最终存活下来，被命名为水星、火星、金星和地球。
“在最初的几亿年里，行星际空间中充满了这类物质，”哈特曼说。“所以一旦有了一个地球大小的行星，它就会不断受到最后那百分之几仍然存在的物质的撞击。这让我产生了一个想法：在地球生长期间，可能有一个非常巨大的天体形成并存活下来，在地球生长的相当晚期撞击了地球，并炸飞了足够的物质来形成月球。”
哈特曼认识到，这样一场灾难性的撞击可以解释月球与地球表面的相似性，前提是撞击只将地球的地壳和上地幔炸入太空，而铁核完好无损。如果爆炸的温度足够高，水和其他挥发物会从抛射出的物质中燃烧掉，并消失在太空中。当哈特曼和他的同事唐纳德·戴维斯（Donald Davis）在1974年的一次会议上提出大碰撞假说时，他们得知哈佛大学的一个天文学家团队也提出了同样的想法。阿拉斯泰尔·卡梅伦（Alastair Cameron，现任职于亚利桑那大学）和威廉·沃德（William Ward，现任职于西南研究院）当时正在提出，一次巨大的撞击可以产生早期地月系统的角动量。
“这很巧妙，因为两个团队确实是独立地、从不同方向得出了这个结论，”哈特曼说。“卡梅伦当时是该领域的泰斗级人物，我以为他会把我们的整个概念批得一文不值。但他却说，‘你知道吗，比尔·沃德和我也在研究同样的想法。’”
在卡梅伦最有前景的模拟中，被抛射出的岩石碎裂成微小颗粒，在地球周围形成一个螺旋状的环。但轨道上碎片之间的碰撞很快又将其中许多碎片聚集在一起，在短短几十年——甚至一个月内——就形成了一颗相当大的卫星。对于地质学家来说，快速形成的观点正中要害。研究发现，月球样本含有大量低密度矿物，而唯一合理的解释是，月球表面曾经几乎完全是熔融状态。在这个假想的岩浆海洋中，轻质矿物会像卡布奇诺上的奶泡一样浮到熔岩的顶部。缓慢吸积冷却的尘埃不太可能形成一个熔融的月球。但一次大撞击产生的热量可以做到——如果抛射出的物质熔化并迅速聚集在一起的话。
“基本上，我们从阿波罗计划和后续任务中发现，最初的月球有一个岩浆海洋，”马里兰州劳雷尔市约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的地质学家保罗·斯普迪斯（Paul Spudis）说。“而形成岩浆海洋的唯一方法就是非常迅速地形成月球。而要做到这一点，唯一的途径就是通过类似大碰撞的事件，将大量物质碎片送入地球轨道。”
尽管大碰撞理论可以解释月球的许多观测特性，但它与已知的早期地球情况并不相符。例如，该理论假设在撞击发生时，地球已经有了一个核心——即年轻吸积物中的重铁已经从较轻的元素中分离出来，并迁移到行星中心，在撞击物撞击时被隐藏了起来。关于地球核心究竟何时分化，专家们已经争论了几十年。一些地球记录表明，地核的形成晚于最古老的月岩。如果情况如此，那么撞击理论就无法解释月球样本中缺铁的现象。
如果撞击时地球的核心确实存在，地质学家们又面临另一个问题。一次足以形成月球岩浆海洋的巨大而炽热的碰撞，至少也会熔化地球表面的部分区域。但地质学家们找不到任何地幔曾经熔化过的证据。如果地幔熔化过，他们预计会发现镍、钨、钴等亲铁元素已从地球上层被吸入其铁核中。然而，地球地幔中被称为亲铁元素的浓度仍然相对较高。而其他本应在液态地幔中分离的元素却混合在一起。
“大碰撞理论的每一种可能变体都认为地幔熔化了，但只要地球化学家告诉我们地幔从未熔化过，我们就陷入了僵局，”梅洛什（Melosh）说。
在过去几年里，一些并行的发展共同扫除了这个障碍。罗宾·卡纳普（Robin Canup）从对气态巨行星周围行星环的研究转向了月球问题。她知道，引力对抛射碎片的影响取决于碎片离行星的远近。在非常近的距离，轨道上的颗粒会落回地表。稍远一些，在稳定的行星环所在区域，颗粒会停留在空中，但碰撞时不会粘在一起。在非常远的距离，抛射出的物质会摆脱引力，消失在太空中。只有在环绕行星的某个特定空间带内，碰撞的碎片颗粒才能粘在一起并保持粘合。撞击产生的碎片中必须有一些最终落入那个带，才能顺利地聚集起来。但很多碎片并没有。卡纳普的计算机模型显示，要形成一个与月球大小相当的卫星，一次撞击必须抛射出至少是月球质量两倍的物质。
“这基本上是在告诉那些建立撞击模型的人，嘿，你们需要产生一个质量更大的盘，”卡纳普说。
这个想法让月球地质学家们欣喜若狂。有两种方法可以在轨道上获得更多质量：一个更大的撞击物，或者是一次擦边而过的撞击而非正面碰撞。这两种情况都会比更小、正面的碰撞产生更多的热量。一些模拟显示温度会超过18,000华氏度（约9982摄氏度）。如此极端的温度可以解释为什么缺乏地幔熔化的地质证据。在20世纪90年代中期，所谓的多压砧设备的技术进步让研究人员首次能够在实验室中让矿物承受极高的温度和压力。在这些条件下，亲铁元素的移动方式与地球科学家们此前的认知不同，因此一个熔化地幔的亲铁元素特征究竟是什么样的，现在已不再清楚。其他近期的计算机模拟表明，一次巨大的撞击会引起地幔如此剧烈的搅动，以至于在熔化过程中不会发生任何明显的地质元素分离。
与此同时，质谱分析技术的进步使地质学家能够使用新的放射性同位素对来估算地球核心形成的时间。最新数据表明，铁确实在早期就迁移到了行星内部，可能就在地球形成后约5000万年。基于这项被称为“铪-钨钟”的技术得出的结论仍有争议。但地质学家们——曾是撞击理论最顽固的怀疑者——现在对这个假说更加放心了。
“我们将能够在更高的压力和温度下进行研究。模拟将被修正，同位素测量结果也将被修正，”约翰逊航天中心南极陨石馆馆长、地球化学家凯文·赖特（Kevin Righter）说。“这个故事还没有结束。”
事实上，关于月球起源的故事在细节上仍然很模糊。专家们对于这次碰撞是发生在地球长成现在的大小之前还是之后，意见不一。许多问题围绕着那个命运多舛的撞击物的身份，一些多愁善感的人给它取了个绰号叫“忒伊亚”（Theia），以希腊神话中月亮女神的母亲命名。理论家和经验主义者都想知道，忒伊亚有多少质量融入了地球，又有多少最终凝结成了月球，还有多少被抛入了太空。如果这个撞击物含有一个铁核，它很可能在碰撞后的“搅拌机”物理过程中与地球的核心结合在一起。但在所有围绕月球起源的谜团中，不幸的忒伊亚的大小和构成也许是最难解的。我们说忒伊亚撞击了我们，但更确切地说，是地球消灭了忒伊亚。
目前，科学家们讲述的关于月球起源的故事大致是这样的。那是45亿年前。非常年轻的地球正与其他一群新形成的行星一起围绕着炽热的太阳运行。突然，一个有地球一半大的物体以每秒数英里的速度呼啸而来。这颗超级陨石如此巨大，以至于花了半个小时才完全撞入地球。在碰撞的高温中，撞击物的大部分和地球的相当一部分熔化并蒸发到周围空间。然后，所有这些被雾化的岩石开始在原始的天空中重新凝结成尘埃。在一个月、一年或一个世纪之内，地球的这位重要伴侣从灾难的废墟中诞生。从那时起，它们就再也没有分开过。
但现在就说它们从此幸福地生活在一起可能还为时过早。
“大多数人没有理解到，由一次大撞击产生的月球起源，与形成月球上盆地和陨石坑的过程是同一过程的一部分，也与导致恐龙灭绝的过程是同一过程的一部分，还与每晚产生流星的过程是同一过程的一部分，”哈特曼说。“所有这些事情都是相关的——只是尺度不同、时间间隔不同、频率不同。流星只是那些仍然存在于太空并坠落到地球上的最后一点微小碎片。”
从哈特曼的解释中可以清楚地看到，地球在历次撞击中成为赢家纯属运气。到目前为止是这样。
其他卫星如何比较
地球 月球直径：2,160英里。大碰撞理论可以解释地月系统的高角动量，这比任何已知的行星-卫星系统都要大。此外，由于月球自转一周的时间几乎与其绕地球公转的时间相匹配，我们总是看到它的同一面。这种同步现象是行星卫星的一个共同特征。木星 欧罗巴（木卫二）直径：1,945英里。被冰壳覆盖的欧罗巴是整个太阳系中最有可能孕育过生命的卫星，生命可能存在于冰面下的海洋中。也可能存在冰火山现象——即冰和气体的喷发。伊俄（木卫一）直径：2,262英里。伊俄表面布满了剧烈火山活动的痕迹——一些火山口宽达120英里。火山活动可能受到邻近的盖尼米得（木卫三）和欧罗巴的引力影响。卡利斯托（木卫四）直径：3,007英里。小行星的撞击使卡利斯托成为所有卫星中陨石坑最密布的表面。虽然它没有火山或大型山脉，但在其冰壳下可能有一个六英里深的咸水海洋。盖尼米得（木卫三）直径：3,281英里。作为木星39颗卫星中最大的一颗，也是太阳系中最大的卫星，盖尼米得是唯一已知拥有类似地球地貌的沟槽地形的行星卫星。土星 泰坦（土卫六）直径：3,200英里。作为土星30颗卫星中最大的一颗，泰坦的独特之处在于它是太阳系中唯一被气体包裹的卫星。氮气是泰坦不透明大气层的主要成分，其大气可能与早期地球相似，但压力比今天的地球大50%。泰坦的大气层可能是在太阳系寒冷区域形成时吸积甲烷和氨的结果。天王星 米兰达（天卫五）直径：292英里。作为天王星21颗卫星之一，米兰达的起源是个谜。米兰达一半是岩石一半是冰，其斑驳的地形可能是由部分融化的冰上涌形成的。海王星 特里同（海卫一）直径：1,678英里。海王星有八颗卫星，特里同是最大的一颗。作为太阳系中测得的最冷天体之一，特里同绕海王星的轨道方向与海王星的自转方向相反。由于它是太阳系中唯一这样运行的大型卫星，人们怀疑特里同是被海王星的引力捕获的。特里同有冰冻的熔岩地貌。冥王星 卡戎（冥卫一）直径：741英里。卡戎距离太远，天文学家们还没能清楚地看到它。一次巨大的撞击可能形成了这颗卫星。一些学者将卡戎和冥王星视为一个双行星系统。
