DDS024-「我們的地球有幾個月亮？（I）」

時光荏苒，歲月如梭，轉眼再過兩周，又將逢今年的中秋節了（9 月 19 日），俗話說：「每逢佳節，倍思親」，又說「故鄉的月亮，分外圓」，其中尤以唐代大詩人李白（公元701-762；字太白，號青蓮居士，現四川省江油市人），在他《靜夜思》中的「床前明月光，疑是地上霜，舉頭望明月，低頭思故鄉」，更是家戶喻曉的經典之作〔註：有熱心又好學之士，曾對以上「李白」詩句中的「舉頭望（明月）」，做了詳盡的考證，發現「李白」該詩的原句，應是「舉頭望（山月）」，謹記此存考。〕當然，這些都是騷人墨客，一抒情懷的千古佳作，我水平低、檔次差，不是這塊料，寫不出這種能貫爍古今的佳句，但又不甘寂寞，在此「佳節」，也想來和大伙兒，湊個熱鬧。好在，「中秋」嘛，不外「賞月」，那就讓我來和大家談談，以下有關我們這個「月亮」的諸多軼事：

（一）太陽系（solar system）中的八大行星，各自有多少個「月亮」？

（二）我們「地球」這個「月亮」，是怎麼形成的？

（三）我們的「月亮」，為什麼老是只有一面，朝向著我們「地球」？

（四）我們只有一個「月亮」嗎？

首先，說起我們這個可愛的「月亮（moon）」寶貝，它可不是我們「地球」的「獨享」或「專利」，在我們太陽系（solar system）的八大行星（planets）中，除了「水星」和「金星」外，我們的「地球」，說起來還是挺可憐的，僅僅只有一個「月亮」，比起其他行星，動輒有好幾個，甚至好㡬十個「月亮」的「大戶」而言，雖然不能說是真正的「三級貧戶」，但頂多也只能算是個普通的「個體戶」〔註：以「海王星」為例，迄今科學家已證實，它至少有 14 個「月亮」，而「木星」更有 67 個「月亮」！〕。因此，太陽系中，各行星有衆多的月亮，是「通則」，地球只有一個月亮，反而是「特例」，此外，木星的月亮（Ganymede，直徑為 5,262 公里）和土星的月亮（Titan，直徑為 5,150 公里），甚至比「水星（直徑為 4,880 公里）」還大。下圖（credit: Montage by Emily Lakdawalla. The Moon: Gari Arrillaga. Other moons data: NASA/JPL, Processing by Ted Stryk, Gordan Ugarkovic, Emily Lakdawalla, and Jason Perry）所示，即是各行星及其主要月亮的名稱和相對大小。

〔註一：太陽系中，八大行星指的是，繞太陽（sun；為發光體，稱為「恆星」）運行（revolve），而自身又能自轉（rotate）的不發光星體。依其離太陽距離的遠近，由內而外，依序為水星（Mercury）、金星（Venus）、地球（Earth）、火星（Mars）、木星（Jupiter）、土星（Saturn）、天王星（Uranus）、和海王星（Neptune）；註二：它們在太陽系中，與太陽相距的排列順序和彼此間的相對大小，請參考我前部落格文（DDS023-「宇宙有多大？」）中的第一圖。〕

其次，一個最根本，也可能是讀者們，最想問的問題，那就是我們地球這個「月亮」，是怎麼來的？目前來說，在衆多有關「月亮」來源的假說中，以「撞擊說（the Giant Impact Hypothesis）」的看法，最被科學界所認同，該假說認為，在太陽系初始形成時，有另一個，和「火星」大小類似，名為 Theia 的星體〔註：希臘神話故事中，「月亮（Selene）」母親的名字〕，撞上了當時的地球（proto-Earth）而形成的，下圖（credit：NASA/JPL-Caltech）即是，藝術家描繪當時兩者碰撞的情形，據估計其撞擊的力道，約等同於400 億顆，投在日本廣島原子彈的威力。

其實，這個假說早在 1898 年即被 George Darwin （為知名進化論鼻祖 Charles Darwin 的兒子）所提出，但一直到 1974 年，才又被大多數科學家們所接受，主要是因為，經由電腦的模擬，証實只有這種在天體中的大規模撞擊（cosmic collision），才足以提供我們今天觀測到的，整個「地球-月亮」系統（the Earth-Moon system）所需的軌道動力。但是，即使如此，因為缺乏進一步的具體證據，這「撞擊說」也還是止於，諸多有關「月亮」起源學說之一而已。

直到去年十月間，科學家們分析，來自地球、火星、月球岩石和各類磒石的樣品，其「鋅（Zn；zinc）」的濃度及同位素組成（d⁶⁶Zn and d⁶⁸Zn）時，發現「月球岩石，「鋅」的含量較低，但卻有較重的「鋅」同位素值。這種異常現象，表示「月球」在其形成過程中，必曾歷經一比「地球」火山熔岩活動，還要更高溫的時期，因為只有在這種極高溫的條件下，那些具有較高揮發性的金屬（包括如鈉、鉀、鋅、鉛等），才能被蒸發掉了，因而使得其含量減少。同樣地，這種極高溫狀態下的蒸發現象，也能引起「同位素的分離效應（isotopic fractionation）」，使得「輕」的同位素，隨著蒸發而散逸到太空中，而那些「重」的同位素就殘留在「月球」上了。（請參見：Paniello, R. C, J. M. D. Day, F. Moynier, Zinc isotopic evidence for the origin of the Moon. Nature, 2012; 490 (7420): 376 DOI: 10.1038/nature11507）。

其實，早期的科學研究即指出，雖然月球和地球岩石的化學組成相類似，但是一些地球上常見的「易揮發性物質（volatiles）」，在月球岩石中卻幾乎不存在（例如，受熱就最容易蒸發的「水」，首當其衝，在碰撞初始時，就被蒸發不見了，）這表示，如「撞擊說」所描述的，當 Theia 和 Earth 碰撞時，所造成的巨大熱量（intense heat），會把所有「易揮發性物質」都蒸發掉了。對「鋅」而言，當其蒸汽上升至髙空時，由於高空溫度較低，這些金屬「鋅」的蒸汽，就開始凝結（condensation），使得具較重同位素值的「鋅」，和其他同位素值較輕的「鋅」，逐漸分離開來，最終，前者（重的；⁶⁸Zn）至今仍殘留在月球上，而後者（輕的；⁶⁶Zn）就逃逸到太空中而消逝了。以上的研究結果，因而給「撞擊說」提供了一個強而有力的支撐，也使得它在諸多有關「月球」起源的假說中，勝出一籌。

其次，另一有關「月亮」的有趣現象是：它永遠只是以同一面，朝向著地球，也就是說，我們在地球上觀賞「月亮」，永遠只能看到它的正面，並無法一窺其背面。這種現象，在天文學上，稱之為「潮汐鎖定（tidal locking）」（這裡的「潮汐」概念，就如同海洋的「潮汐現象」），它指的是，當兩個體積大小不一、質量不同的自轉星體（在此，你可以把這大、小兩個星體，分別視為「地球」和「月亮」），由於彼此引力的相互牽引，質量小者，往往繞著質量大者運轉（revolve），而且彼此臨近的一面，所受到的引力，較遠離的一面為大，長時間下來，因其腹背兩面受力的不同，而逐漸向外隆突（bulge），使得兩個原本為「球形」的星體，也會變得略呈「橢圓形」，這種變形，使得小星體的「自轉（rotation）」，受到拉扯（tug），轉速因而逐漸減緩，直到其「自轉」速度和其繞大星體「運轉」的速度一致時（即小星體自轉的周期，等於其繞大星體運轉的周期），便造成該小星體，永遠只有固定的一面，朝向著那較大的星體，此時的小星體就被視為，被此較大的星體「鎖定」了，也就是因為這種「潮汐鎖定」的原因，使得我們的「月亮」，永遠只以一面朝著「地球」。

另外，由於「太陽」對「月球」的引力，遠大於「地球」對它的引力，因此，「月球」不但繞著「地球」旋轉，它也繞著「太陽」旋轉，而且其繞「太陽」旋轉的軌道（orbit），幾乎和「地球」繞「太陽」旋轉的軌道差不多。下圖（credit： Lucien Rudaux）即為兩者繞日軌道之示意圖，要注意的是，此圖只是為了凸顯以上所說，「月球」既繞「地球」，又同時繞著「太陽」運轉之情形，真實上，兩者繞日軌道是非常近似的，因為「地球-月球」之距離只有 384,400 公里，而「地球-太陽」距離為 149,600,600 公里，後者約為前者的 390 倍，也因此，可以這麼說：「月球」繞日軌道之所以呈波狀形，主要是受到「地球」的干擾，要是沒有「地球」的存在，我們的「月亮」，還是大致以目前的軌道繞日而行。（待續）