關于月球奧秘的新見解

□ 張 瑩

關于月球奧秘的新見解

□ 張 瑩

月球上看地球，阿波羅8號拍攝

月球圍繞地球轉動，軌道是橢圓形，它到地球的平均距離為384400千米，在宇宙中是距離地球最近的天體。望遠鏡發(fā)明之前，人們用肉眼觀看月亮，只能分辨表面明暗不同的區(qū)域。同其他民族一樣，在悠久的歷史長河中，中華民族流傳著許多有趣的月亮故事。

1609年，伽利略制造出天文望遠鏡，發(fā)現(xiàn)月亮表面有許多環(huán)形山。從此，研究月亮不再靠想象，人類對月亮的認識也發(fā)生了飛躍式發(fā)展。1959年，蘇聯(lián)發(fā)射的月球3號（Luna-3）宇宙飛船獲得月球背面的照片，1966年蘇聯(lián)的月球9號（Luna-9）探測器在月球表面軟著陸，這些標志著月球探測的巨大進展。1969年7月21日，美國宇航員阿姆斯特朗代表人類首次踏上月球表面，正像他所說的，他邁向月球的那一小步是人類探測宇宙史中的一大步。

相比其他天體，盡管月球的探測與研究已是如此領先，但是在科學家眼中，月球仍有許多待解謎團，它的內部結構怎樣？它的表面地形是如何形成的？整個月球又是來源于哪里？等等，這些問題有待科學家進一步做出準確解答。

月球地表特征

不管是使用望遠鏡，還是用肉眼直接觀測月球，都可看出，它的表面大致分為明亮區(qū)域和較黑暗區(qū)域。其中黑暗的區(qū)域是月海，明亮的區(qū)域是月陸，月陸高出月海大約二三千米。17世紀，天文學家以為，月球上的黑暗區(qū)域是水的海洋，因此稱它為月海，實際上月海沒有水，這里是地勢較低的廣闊平原。由于月海物質反射率低，看上去才顯得黑暗。

用望遠鏡觀測月球，可以看到，它的表面有許多中間凹陷、四周高聳的圓坑，它們被稱為環(huán)形山。即使用小型望遠鏡觀察，月球正面的第谷環(huán)形山和哥白尼環(huán)形山也非常明顯。環(huán)形山有的大有的小，幾乎遍布整個月球表面。有些環(huán)形山周圍，存在向四面八方延伸的明亮條紋，這些叫作輻射紋，它們往往可以延伸幾百千米。同地球一樣，月球上也有山脈，往往在圍繞月海的月陸地區(qū)，連綿不斷，外貌同地球山脈差不多。最著名的亞平寧山脈位于月球正面雨海的南部，是月球上最長的山脈，綿延1000多千米。月球表面還有延伸的凹陷谷地，長達幾百到上千千米，寬約幾千米到幾十千米，這是月球上的月谷，小規(guī)模的月谷被稱為月溪或溝紋。

月球正面

月球背面

為何月球正面與背面地表差異明顯？

1959年，蘇聯(lián)的月球3號（Luna-3）探測器首次獲得月球背面的照片，發(fā)現(xiàn)月球的正面與背面的地理狀況存在明顯不同。之后，許多空間探測器和宇宙飛船對月球背面進行過詳細的觀測。與月球正面相比較，月球背面更加高低不平，到處是崎嶇陡峭的山峰，有更多的環(huán)形山。月球正面的月海占據(jù)相當大部分的面積，在月球背面則基本看不到月海，兩者存在較大的差異。那么，為何月球的正面地表狀況與背面相比如此不同呢？

對于兩者的不同，2014年美國賓夕法尼亞州立大學研究人員領導的一個小組進行了一項研究，試圖給出一個合理的解釋。研究人員認為，月球起源于火星大小的天體與地球的碰撞，劇烈的碰撞使得地球的溫度急劇升高，一部分高溫物質脫離地球形成月亮。由于月亮個頭小，很快冷卻，而地球體積大，溫度降低十分緩慢。當時，地球與月球的距離很近，大約2500℃的地球的熱輻射對月球產生顯著影響，使得月球背離地球的一面溫度低，而朝向地球的月球一側溫度較高。由于這種溫度差別的存在，月球背面形成的地質殼層很厚且硬度高，而月球正面形成的殼層比較薄。因此當隕星撞擊月球時，月球正面的殼層巖石容易斷裂開來，導致內部的玄武質熔巖涌出，形成廣闊的月海。而月球背面的殼層很厚，上述過程很難發(fā)生，無法形成月海。

月球內部是冷還是熱？

早在20世紀六七十年代，通過阿波羅登月的日震測量設備，天文學家得出，月球內部結構包括月核、月幔和月殼三部分，月核部分鐵元素的含量很高，月幔則以密度較高的橄欖石、斜輝石等巖石為主，而月殼的構成則主要是低密度的斜長石。后來天文學家進一步進行探測和研究發(fā)現(xiàn)，月核分為內核和外核，內核部分為固體，外核部分為液態(tài)，它們的總尺度約為中心至480千米半徑以內。而月幔的范圍在月核以外至半徑1673千米以內，最外層的50~70千米為月殼。

月球與地球時時刻刻相依相伴，它在不停地圍繞地球轉動，現(xiàn)在月球與地球的距離在356，410~406，700千米之間變化。盡管在所有天體中月球的探測研究最為便利，但是，對于月球仍有許多未解決的問題，例如，月球內部的物理狀況如何？該問題就是天文學家想進一步探討的謎題之一。不久前，日本天文學家原田（Yuji Harada）領導的研究小組分析了月亮女神探測器（SEKLENE）和其他探測器的觀測數(shù)據(jù)，得出一個結論：在月球形成45億年之后的今天，它的內部還處于火熱狀態(tài)。那么，這是為什么呢？研究的結果是，這一火熱狀態(tài)是由于地球對月球的潮汐引力造成的?？蒲腥藛T細心地進行觀測和理論兩方面的研究，他們認為月幔深層區(qū)域的巖石處于熔化狀態(tài)，潮汐力在這里可以將引力能量不斷轉化為熱能，也就是說地球對月球的潮汐作用使得月球內部溫度升高。

月球內部結構示意圖

月球年齡或許更大

目前，占主導地位的月球成因學說是撞擊說，一個火星大小的天體撞擊地球，飛濺出的物質聚合成為月球。天文學家研究認為，太陽系在大約45.7億年之前形成，月球在此后的約1億年形成。2014年法國洛林大學的紀堯姆?阿維絲（Guillaume Avice）和伯納德?馬蒂（Bernard Marty）對上述問題做了新的研究，研究結果表明，或許月球形成比原來以為的時間早6000萬年，也就是說，月球可能在太陽系形成之后4000萬年形成。這兩位法國的科學家通過檢測石英中的氙元素得出了上述結論，他們利用的兩塊石英晶體分別來自澳大利亞和南非，都形成于幾十億年以前。在更早的時候，也有科學家采用其他方法得出與此相似的月球年齡結論。

天體相撞的美術圖

阿波羅11號的宇航員阿姆斯特朗登陸月球，帶回一些月球巖石

更多證據(jù)支持月球起源撞擊說

當今，關于月球的起源主要有四種學說，分裂說、俘獲說、同源說和撞擊說。分裂說認為，太陽系形成初期，地球處于熔融狀態(tài)，且地球自轉速度很快，約為現(xiàn)在的6倍，強大的離心力加上太陽的潮汐作用，在地球赤道區(qū)形成一連串細長的膨脹體，最終分裂出去形成月球。俘獲說認為，月球原來可能是繞太陽運轉的一顆小行星，由于軌道接近地球而被地球俘獲，成為了地球的衛(wèi)星。同源說認為，地球和月亮都是太陽系星云不斷演化而形成的。這三個學說，在一定程度上都可解釋月球的形成，但是也面對不少難以解釋的難題。

現(xiàn)在最為盛行的月球形成學說是撞擊說。在太陽系早期，行星形成的過程中存在大量碰撞現(xiàn)象。大約45.3億年前，一顆火星大小的天體撞擊了地球，巨大的能量使地球部分物質蒸發(fā)，噴射到地球之外，這些物質逐漸冷卻凝聚形成月球。2014年來自國外的兩個新的研究成果，支持月球形成的這一學說。

來自德國科隆大學的研究人員認為，如果月球主要由撞擊天體（被天文學家命名為忒伊亞，Theia）的物質形成，那么月球的化學成分肯定與地球不同。利用現(xiàn)代最新的掃描電子顯微鏡，對月球巖石進行化學分析，這些月球巖石是阿波羅-11、阿波羅-12和阿波羅-16宇宙飛船于20世紀六七十年代從月球上帶回的。他們發(fā)現(xiàn)，月巖中同位素氧17的含量比地球巖石高百萬分之十二。這應該是天體忒伊亞的化學特征，這一結果是對撞擊說的有力支持。

與德國研究人員不同，來自美國哈佛大學的研究人員，從地球的化學成分研究找到了支持撞擊說的證據(jù)。按理說，天體忒伊亞與地球撞擊產生的巨大能量完全可以將地球融化，但是，當撞擊的能量在地球上不是均勻分布時，被撞擊的一側地球物質可能獲得絕大部分能量而蒸發(fā)，但是，地球另一側受到保護，并沒有完全融化。所以地球地幔物質沒有被撞擊完全攪和，結果使得地幔深層和淺層的化學成分有所不同。哈佛大學的研究人員分析了地幔中物質的化學成分，發(fā)現(xiàn)氦和氮同位素的含量比例在地幔深層和淺層有所不同，這一結果與撞擊說吻合。

月球正在遠離地球而去

月球和地球之間存在相互的引力。地球海洋的潮汐現(xiàn)象，就是在近月地球表面和遠離月球的地球表面月球引力不同造成的。由于潮汐傳播方向與地球自轉方向相反，在地球內部物質的摩擦作用下，地球自轉速度會逐漸變慢，大約每經過百年，一天的時間長度增加0.0015秒，同時使得月球每年遠離地球3~4厘米。目前，地球到月球的距離平均為384400千米，地球上每天24個小時。據(jù)天文學家推算，6.2億年之前，當時地球一天的時間只有21個小時。

那么月球遠離地球的運動何時會停止呢？在潮汐作用下，只有地球的自轉和月球的公轉相匹配的情況下，也就是地球以同一面朝向月球，天的長度等于月的長度時，月球遠離地球的運動才會停止?，F(xiàn)在，天王星和它的衛(wèi)星卡戎就處于這種匹配狀態(tài)。根據(jù)天文學家的推算，月球遠離地球的運動要持續(xù)很長時間，在它停止的時候，太陽早已經成為了紅巨星。

2014年10月8日，在美國加利福尼亞拍攝的月食照片

為何月球形狀不是完美圓球？

農歷每月十五或者十六，滿月掛在天空，看上去似一個圓盤，由此，古代人們相信月球一定是一個完美的圓球。當人類有了天文望遠鏡后，發(fā)現(xiàn)了月球上的環(huán)形山、月海、山脈和月谷后，知道月球表面同樣是高低起伏。隨著近幾十年空間探測的發(fā)展，人類也了解了月球的表面地形概況。月球背面幾乎沒有月海，主要是成片的高地，而月球正面分布著廣闊的月海，約占正面總面積的31%。我們知道，月海的地勢比較低洼，這樣一來，月球正面地形的總高度比月球背面略低。就整個月球來說，正面一側略呈凹陷，而月球背面略呈凸起，兩者相差約1.9千米，因此，整個月球的形狀是偏離完美圓球形的。

月球地形高低分布圖

月球偏離標準圓球的原因是什么呢？如果考慮地球對月球的潮汐引力作用，那么在朝向和背離地球的兩側都為凸起才行，似一個指向地球的橄欖。有些天文學家推測，也許在月球形成后的幾千萬年，有另一個天體撞擊了月球，導致成為現(xiàn)在的形狀。但是，撞擊的細節(jié)如何？沒有天文學家給出說明。那么究竟真實原因何在？尚有待于進一步的研究。

（責任編輯 張長喜）