双面月球:一次巨大撞击的两种结局
  • 来源:科技日报
  • 作者:唐 芳
  • 2022-05-10 09:18

视觉中国供图

  科技日报记者 唐 芳

      自阿波罗时代起,科学家就知道月球有两面:一面正对着地球,另一面始终背对地球,面向地球的一面较为平坦,背向地球的一面则凹凸不平,遍布成千上万的撞击坑。

  月球两面为何如此不同是月球众多谜团之一。

  近日,科学家对月球的两副“面孔”提出了一种全新的解释:数十亿年前,形成月球背面南极—艾特肯盆地(SPA)的巨大撞击,产生了足以传遍整个月球的巨大热量,促成了月幔物质的熔化,其中的稀土(REE)和放射性生热元素钍(Th)、钾(K)、磷(P)等被携带到与撞击区域对称的月面,形成了克里普(KREEP)岩,分布在月球正面风暴洋及其周围。放射性生热元素的集中产生了月球表面的熔岩流,最终形成月球正面的火山平原。相关研究结果发表在《科学进展》杂志上。

  中国科学院国家天文台研究员平劲松向科技日报记者表示,新研究对揭示月球两面的成因给出了较有说服力的分析。


  月面KREEP岩与月背的一个盆地有关


  KREEP岩是科学家关注的焦点之一,被认为是月球火山活动持续亿万年之久的原因。KREEP岩因富含钾(K)、稀土(REE)、磷(P)等不相容元素而得名,还包括铀(U)、钍(Th)等放射性生热元素,为月球持续的火山活动提供热源。

  中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙对记者表示,已有研究表明KREEP岩与钛铁矿都是岩浆洋固结过程中的末期产物,部分KREEP岩可能与钛铁矿混合在一起,分布在壳幔边界,在月壳固结之后形成。

  平劲松介绍,KREEP岩最早发现于阿波罗-12样品,后来几乎在所有返月样品中都发现了其碎片,它们存在于月球正面岩浆岩区域。同时,1994年美国克莱门汀探测器发现月球正面存在一个被称为风暴洋克里普地体的成分异常区域。

  主流假说认为,月球最年轻的玄武岩(火山活动的产物)主要填充于月球正面的风暴洋克里普地体。但KREEP岩放射性生热导致月球最年轻火山活动的假说,尚未得到验证。

  KREEP岩为何集中在月球正面的风暴洋?新研究提供了一个解释,它与月球背面的SPA有关。

  SPA是月球上最大、最深和最古老的撞击盆地,直径约2500公里,深度6—8公里,被认为是最有可能暴露出月球深部物质的区域。

  平劲松表示,新研究仿真了SPA的撞击过程,结果表明撞击会在月幔中产生一个热幔柱,热幔柱把深部放射性元素带到了月壳和月表。值得一提的是,该仿真遍历了产生SPA的各种直接撞击和掠射撞击,发现不管何种撞击,产生幔柱的区域和方向结果都一样:只在朝向地球的月球正面方向发生。

  谈及这个过程的内部热量动力机制,肖龙表示,月球南部SPA遭受撞击后,大量的热量迅速向北传递,SPA下部核幔边界的温度超过1800℃。在温差的驱动下,月幔物质从高温区域流向低温区域。低黏度的钛铁矿层在此作用下被推向风暴洋及周围区域。钛铁矿层具有更高的密度,在重力作用下,大部分钛铁矿层缓慢下沉至核幔边界。由于基数大,风暴洋及周围区域仍会保留可观的钛铁矿及KREEP物质。

  平劲松补充道,形成SPA的巨大撞击,产生了足以传遍整个月球(从月核幔传向月壳)的热能和动能,促成了月幔物质的熔化。通过月幔翻转过程,促使月球正面形成富含钛铁矿和KREEP岩的月幔源区,并把月球内部的物质如稀土和放射性生热元素借助火成过程集中携带到撞击区域月面对称的近地侧,产生我们所看到的月球表面的熔岩流,从而使得月球正反面物质呈现不对称性分布。


  KREEP岩富集于风暴洋有三种解释模型


  KREEP岩为何集中于风暴洋及其周围?肖龙介绍,目前有3种可能的模型,分别是SPA撞击模型、风暴洋撞击模型以及内生模型。不过,目前还没有哪个模型得到广泛认可。

  SPA撞击模型作为月球风暴洋克里普地体形成的模型之一,为认识风暴洋克里普地体的形成提供了一个思路。肖龙同时指出,SPA撞击模型的成立,除了需要解释KREEP岩的分布之外,还需要解释风暴洋克里普地体的其他特征,比如较薄的月壳(小于30千米)和巨型的线性构造等。

  据了解,目前并没有相关研究支持SPA撞击事件可以减薄风暴洋克里普地体的月壳厚度或者产生巨型线性构造的假说。

  由于SPA撞击事件与风暴洋克里普地体的相关性,肖龙指出,对SPA的采样返回也许能验证该模型。此外,如果能确定SPA的撞击时间,结合当时的月球内部结构和地温梯度,可以极大地改进SPA撞击模型,获得更为可靠的结果。

  值得一提的是,风暴洋撞击模型既可以解释月壳的减薄,也能解释KREEP岩的重新分布,因此得到了大量研究人员的支持。不过,肖龙表示,如果存在风暴洋撞击事件,由于其产物被后期撞击作用所覆盖,所以很难被证实。

  在解释巨型线性构造方面,国外研究人员通过“圣杯号”月球探测器的重力数据,观察到了包围风暴洋克里普地体的巨型线性伸展构造,进而提出风暴洋克里普地体形成的内生模型。该模型认为并不需要额外的撞击事件就能产生风暴洋克里普地体。肖龙表示,要验证该模型,可能还需要对风暴洋克里普地体进行更高分辨率的重力模拟。


  月球两面在很多方面都存在二分性


  千百年来月球只有一面朝向地球,另一面始终背对地球。这是人类探月的重要发现之一。更为神奇的是,月球面对和背对地球的两面,有很大不同,这就是所谓的月球二分性。

  已有研究发现,“月球除了形貌、地质和化学元素存在二分性外,在重力、磁、热等特性上也都存在二分性,产生机理多不相同。”平劲松说。

  月球并不是一个密度平均的天体,科学家发现,月球体内存在不少“质量瘤”,其分布规律呈现二分性。平劲松解释,月球正面月海地区下方存在高密度物质,形成许多重力高于周边的巨大“质量瘤”,而“质量瘤”在月球的背面要少一些,而且也小得多。平劲松指出,月球正面“质量瘤”偏多偏重,导致月球的质量中心与形状中心不重合,前者比后者更靠近地球方向约2公里,引起的力矩潮汐作用锁定月球自转与绕地球公转手性一致、周期相同,使得月球一面长期面对地球、另一面长期背对地球。

  据报道,目前月球磁场的强度不足地球磁场的千分之一。平劲松指出,月球形成与演化历史上是否存在强磁场还颇具争议,但是月球表面的磁场也存在正面弱且少,背面稍强且分布范围广的二分特性。

  近年来,小天体、微流星撞击威胁地球的话题并不鲜见,其实它们撞击月球正面和背面的概率也不相同。“相比之下,月球背面遭到威胁的概率更高一些。”平劲松说,部分原因是,地球对于来自空间的小天体、微流星的引力更大,帮助月球正面规避了一部分撞击。

  我国科学家发现,在接收太阳光照上,月球正面也比背面高几个百分点,使得正面的风化程度比背面略强,浅表层也略热一些。

  “我国探月工程采用返回探测和未来月面科考站计划等方式,必将更加清晰地揭开月球二分性谜团。”平劲松说。


责任编辑:于翔
  • TEL:010-58884104
  • E-Mail:kepu@kepu.gov.cn
  • 如果您有任何意见或建议,请联系我们!