月球身世之谜

原文标题:《【宇宙杂谈】月球哪儿来的?神秘的月球背面(文字版)》

月球是哪儿来的?同样是内太阳系行星的水星、金星和火星,为什么它们要么没卫星,要么有也只是很小很小的。即使是最大的火卫一,它的平均直径也才 20 公里左右,小到连规则的球形都形成不了,看起来就像个大土豆。

火卫一和火卫二

而作为地球的卫星月球相对就大得多,直径大约 3500 公里,相当于地球的 1/4。

月球 vs 水星

对于这么一个大家伙,它的起源就显得扑朔迷离了。在上个世纪,主流科学界关于月球起源主要有这么几种猜测。

一种是说月球曾经是地球的一部分,后来由于地球的自转速度太快,结果把自个儿给转散架了,月球就是当时甩出去的一部分地球物质形成的。这个叫做“分裂说”。

分裂说

另一种是说月球它本不是地球的卫星,只是因为从地球的身边经过被地球的引力捕获,所以才成了一颗卫星。这种叫做“捕获说”。

捕获说

还有种说法干脆认为,月球它其实就是和地球一起诞生的,都由太阳系的原始吸积盘直接形成,就像太阳和行星一起诞生于同一片分子云一样。这种叫做“吸积说(同源说)”。

吸积说(同源说)

相较于以上三种假说,如今的科学界对地月系统的形成更认同的还是“大碰撞说(Giant impact hypothesis, GIH)”。

原始地球遭忒伊亚撞击

这种假说认为,当初有一颗火星大小的天体被称为“忒伊亚”,有一天它和地球发生了碰撞,大量的物质被抛洒出去并环绕地球运动。随着时间的推移,这些碎片慢慢聚集起来,最终形成了今天的月球。

大碰撞说

但是通过对阿波罗带回的月球岩石样本进行同位素分析后,科学家发现,月球岩石和地球岩石在同位素方面有着惊人的相似度,这意味着月球和地球有着相同的组成。但这就带来一个问题:因为天体本身的元素含量会受到太阳风的影响,当初那个忒伊亚如果是外来的话,它最初距离太阳的位置和地球有着很大差异,所以在同位素方面它不应该与地球如此相似。这也成为了大碰撞假说目前遇到的主要问题之一。

上个月(2022 年 10 月)一篇发表在《天体物理学杂志快报》上的文章,研究人员对忒伊亚和地球之间的那次“天地大冲撞”给出了不一样的细节解释。他们通过计算机进行了上百次的模拟撞击,而且相较于以前的碰撞模拟,这次的模拟更注重碰撞的细节过程。

研究人员发现在大碰撞发生后,那些抛洒出来的物质或许并没有成为行星环,而是形成了两个相互比较独立的部分,一个离地球比较近,另一个则相对较远。远的那个由于超出了地球的洛希极限,所以不会被地球引力撕扯,久而久之就形成了后来的月球;而相对较近的那个则被地球的引力给扯碎,逐渐落回了地球。由于形成月球的那部分物质大部分都来源于地球,这或许可以解释大碰撞假说中的同位素相同问题。

忒伊亚撞击后产生了两大块物质,较远的那个形成了月球

其实关于大碰撞的具体细节,我们还可以从另一个地方找到线索,那就是月球背面

我们知道,月球由于被潮汐锁定,它永远只有一个面朝向地球。面向地球的这面我们称其为正面,背对我们的则称为背面

在人类发射月球探测器之前,我们一直以为月球的正面背面应该都差不多。但当第一次看到探测器传回的照片时,天文学家才惊讶地发现,月球的背面竟然如此的不一样。不像正面有着大块儿的盆地,月球背面是崎岖的高原地形。

月球正面(左)和背面(右)

通过探测器的引力测量,天文学家分析了月球内部的质量分布情况:正面的月壳平均厚度大约 30 公里,而背面的厚度则有 50 公里

除此之外,通过对月球陨石的分析,人们还发现正面和背面的物质在化学成分上也有很大不同。

种种迹象表面,月球成为了“两面派”肯定和它当初的形成过程息息相关。这些差异也是大碰撞假说需要进一步解释和完善的地方。

其实目前已经有一些基于大碰撞假说的升级版理论。

比如有一种被称为“正面加热理论(Nearside heat theory)”。说是在大碰撞发生后,此时的月球和地球都处于熔融状态,尤其是地球,它就像一个超级大火炉,把旁边月球这个“小煤灰”烤的通红。不过月球背面因为背对着地球,所以它冷却得就会快一点,于是便形成了更厚的月壳。

月球背向地球的那面冷却地更快

你可能会说:地球的那点热量在地月这个距离上来说,会不会太微不足道了?

地月实际距离

确实,以今天的地月距离来说,地球想把那么多的热量传递给月球确实不太可能。不过目前研究认为,月球可是正在以每年 3.83 厘米的速度远离地球。也就是说,在地月系统刚刚形成之初,它俩的距离曾经非常近,甚至只有地球直径的一两倍远。在那么近的情况下,月球正面是可以接收足够的热量,表面的火山活动也更为剧烈,这也是为什么今天我们在正面看到了大片的熔岩平原。

但是这个假说仍存在一些问题,比如说如果当初它俩真得挨得那么近的话,月球很可能就不会慢慢远离地球,相反它会逐渐靠近地球,最终撞上地球。

而另一个大碰撞假说的升级版,真就提供了一个“二次撞击(Second impact)”的假说。

这种说法认为:在第一次忒伊亚的大碰撞发生后,此时又有一个小天体迎面撞上了仍处于熔融状态的月球。随后溅射出的物质运动到了背面并沉淀了下来,从而形成了高原地形。而承受撞击的正面,由于地表被融化,所以导致了化学成分上存在差异。

但是这种猜想也有问题,比如撞击若是发生在熔融状态的早期,那么今天月球正面的撞击盆地应该早就被抹平了,不可能保留到现在。

和二次撞击假说类似,还有种假说认为:当大碰撞发生后,由地球周围碎屑形成的卫星并不只有一颗,而是两颗。由于这两颗卫星的运动速度存在差异,随后较小的那颗追尾了另外一颗大的。于是类似二次撞击假说,碰撞后小卫星的碎片溅落到了大卫星的另一面,后来二者融合在一起形成了最终的月球。

不管是哪种假说,对于月球正背面的差异以及起源问题,目前都还缺少实际证据。不过如今,随着各国探月计划的开展,将会为月球演化研究带来新的证据。

比如前两年我国的“嫦娥五号”就从月球带回了 1.73 公斤的月球样品。基于该样品,科学家在《自然》杂志连发三篇论文,把月球火山活动的持续时间一下向后推了 20 亿年,刷新了人类对月球演化的认知。但是小小的月球为何内部冷却得如此之慢,这成了困扰学术界的一个新问题。

但是没过多久,这个问题就被我国科学家解开了。研究人员通过对月球玄武岩样本分析后发现,这里面的含量要比预想的多。因为玄武岩就是当初月表的岩浆冷却后形成的,所以这意味着岩浆在深入月幔的过程中,由于含有了比较多的钙和钛,所以月幔的熔点被大大降低了。

不光是我国,NASA 现在也将对当年阿波罗带回的已被封存了 50 年的月球样品计划重新开展研究。日后相信类似的关于月球演化的研究结果,将会越来越多。

不过目前我们获得的都还只是月球正面的样品,想要彻底解开月球起源之谜,对月球背面样品的分析必不可少。而在这方面,中国的“嫦娥四号”已经成为了首个登陆月球背面的探测器,随后的“嫦娥六号”更是计划完成对月球背面的采样返回任务。相信到时候,我们对月球起源真相的了解会更进一步。

本文来自微信公众号:Linvo 说宇宙 (ID:linvo001),作者:Linvo

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