2001年8月16日, 美国《自然》杂志上公布了科学家用计算机模拟月球形成过程的成果。据他们的模型，月球是在46亿年前太阳诞生后不到1亿年时，由一个火星大小的物体撞击地球产生的。
这个模型的研究者卡那珀描述了这一惊心动魄的过程：一个黑暗的比地球大不到一倍半的原始行星在运行中和地球相遇，从侧面给了地球一击，使地球绕自己的轴旋转起来，撞击的冲击力从地球的外层和这个无名撞击物上撕下了部分物质，其中大约一半最后形成了月球。另一些被撕下来的物质被加热到不可想象的程度，蒸发后膨胀，进入周围的太空。
这个是目前最广为接受的月球形成理论：一颗火星大小的入侵星体撞上地球，其碎片与被轰出的地壳抛至太空中形成环绕地球的气体盘，一般相信月球就是从这气体盘中形成的，形成之初的距离比现在月球的位置要近许多，可能是 1/2 左右，但由于潮汐力而渐渐远去。所以月球形成之初大约距离地球 160,000～240,000 公里远。
关于其他月球的成因，众说纷纭，主要有三种假说，即俘获说、分裂说和同源说。
俘获说： 月球可能是在地球轨道附近运行的一个小行星，后来被地球所俘获而成为地球的卫星。因为月球和地球的平均密度相差很大，而化学组成又十分不同，所以，它们可能是由太阳原始星云中不同部位的不同物质形成的。另一方面，月球的平均密度却与陨石、小行星十分接近。因此，很可能是小行星在围绕太阳运行中，由于接近地球，地球的引力使它脱离原来的轨道而被地球所俘获。有人认为，这个事件发生在35亿年前，整个过程经历5亿年。在月球被地球俘获后,月球由于受到地球的起潮力，喷发出大量岩浆，形成月海玄武岩。
分裂说：在太阳系形成的初期，地球和月球原是一个整体，那时地球还处于熔融状态，自转非常快，自转周期只有4小时左右。因此,这时太阳对地球的潮汐作用的周期为 2小时。这个周期恰与地球自由摆动周期相等，从而产生共振，于是在赤道面上形成一串细长的膨胀体，终于分裂而形成月球。太平洋就是月球分裂出去时留下的遗迹。根据计算，地月系统现有的角动量总和，即使再加上几十亿年的角动量损耗，也不足使地球和月球分裂。而且月球的位置又不在地球赤道面上。这些事实是分裂说很难加以解释的。
同源说：地球和月球是由同一块行星尘埃云所形成。它们的平均密度和化学成分不同，是由于原始星云中的金属粒子在形成行星之前早已凝聚。地球在形成行星时，一开始便以铁为主要成分，并以铁作为核心。而月球则是在地球形成后，由残余在地球周围的非金属物质聚集而成。月球形成的这三种假说，都能或多或少地解释月球的成分、密度、结构、轨道及其他基本事实。除分裂说一般认为难以成立外，俘获说和同源说这两种假说究竟哪一种更加合理，目前尚无定论。
根据对月球各种热历史模型的研究，整个月球曾发生过多次局部熔融。在月球形成的初期，月球的大部分温度曾达到1000摄氏度。距今41亿年前,月球发生过一次规模较大的岩浆运动,在岩浆的分离过程中,形成了斜长岩成分的月壳，残留部分成为月表的高地。月球表层固结后又在较深的部位发生局部熔融，产生苏长岩成分的熔体。大约距今40亿年前，形成了富含放射性元素、难熔元素的非月海玄武岩。斜长岩高地长期裸露在月表，不断受到陨星物质的撞击，因而被削低了1.5～2公里，在高地上发育着大量古老的冲击月坑。后期，高地为一系列的断裂所切割和破坏。距今41～39亿年前，月球比较集中地遭受到各种大型陨星的撞击，使月表出现许多月海盆地,即大型的环形构造,最典型的是雨海事件。月球上的月海大致都是在相近的时期内形成的。月海生成的大致次序是：酒海、澄海、湿海、危海、雨海……。雨海纪形成的各个月海大约在距今39～31亿年间，被后期喷发的玄武岩所充填和覆盖。根据同位素年龄的测定，大致充填的时间次序是雨海西、雨海东、湿海、危海、雨海、静海、丰富海、澄海和风暴洋。此后月表的轮廓基本形成,31亿年以来,月球内部的演化已处于"停滞"状态，外力作用在月球的演化史中占有主导地位。陨星冲击月表，使月坑继续形成和增多。爱拉托逊纪形成的辐射月坑，其辐射纹受月表的各种作用，或者变得不明显，或者消失；而哥白尼纪形成的月坑，则具有明显的辐射纹。
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