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月球背面的图片 隐藏太多秘密

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发表于 2017-3-24 22:26:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
月球正对着我们地球这一面,明暗相间,异常美丽,激发了无数文人的灵感;而月球的背面却长着个麻花脸,异常丑陋。是什么原因导致了这样的差距呢?

月球是距离地球最近的天体,在晴朗的夜晚,当一轮明月高挂天空时,古人甚至仅凭肉眼就能分辨出月面的大体结构——明亮的地方是月陆,黯淡的地方是月海。今天,借助于宇宙飞船和太空探测器,我们已经可以绘制出完整的月面地图,检测出月球的物质组成,甚至模拟出月球的内部结构。


但是,月球仍有尚未解开的谜团,比如它的起源问题,还有它的演化过程。另外,由于潮汐锁定,月球始终以正面示人,直到1959年苏联的月球3号飞船返航,我们才第一次看到了月球的背面,但它的样子有些奇怪,与正面大相径庭。科学家想弄清楚,为什么月球会有截然不同的两面?或者,两面的差异是否能够告诉我们一些月球早期的故事呢?


“变脸”的月球


在月球正面,月海是主要的地貌结构,覆盖的面积高达31.2%,它由富含铁元素的玄武岩(火山喷发后冷却下来的熔岩)组成。月海和月陆(主要由斜长岩组成)都有着光滑的地表,它们相互映衬,形成了明暗相间的格局。这使得月球的正面异常美丽,月海也成为西方文化的“月中人”以及东方文化的“嫦娥、玉兔”的灵感来源。


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月球的背面则不那么好看了,那里缺少玄武岩,月海的面积仅有2.5%。在这里,取代月海而成为主角的是月陆上密集的陨坑和环形山。太阳系最大的陨坑——南极艾托肯盆地及其周围的环形山占据了月球背面很大一部分地貌,这个陨坑的直径大约有2500千米,深度达到了8千米。总体看上去,月球背面非常粗糙,不太美观。


科学家认为,对于月球这种大小的天体来说,许多天文过程对其施加的影响应该是两面均衡的,不应该出现两面差异。比如外来天体的撞击,在月球的天空中,地球仅仅遮挡了微不足道的一小部分,无法对月球提供保护,因此月球两面的陨坑和盆地应该是平均分布的。另外,这些盆地形成于小行星或者其他岩石坠入月球的时候,这些撞击会使月壳变形,火山岩浆将会从盆地地表的裂纹中涌出,不停地淤积到低洼地区冷却下来,形成月海。如此推断的话,南极的艾肯托盆地也应该被玄武岩覆盖,但事实却并非如此。由此可见,月球的“双面性”不仅仅是产生地貌差异这么简单。


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为了获得更多的月球背面信息,21世纪初,美国宇航局(NASA)重新启动了已经中断很久的月球勘探任务,将探测重点放在了月球背面与其正面的区别上。月球勘测轨道飞行器发现,月球两面不仅仅地表形貌不同,其两面的物质成分和月壳厚度也不同。在月球正面,月壳很薄,只有20~30千米,但是这里克里普岩石非常丰富,并且含有大量的能够发热的放射性元素(比如钍),似乎月球内部的熔岩冷却时全都堆积到了正面;在月球背面,月壳虽然很厚,平均可达60千米,但是物质种类较为单一,主要就是斜长岩。

为什么月球会如此不对称呢?科学家们发挥了自己的想象力,他们或者提出了天体碰撞的假设,或者到月球内部寻求答案,所有的猜测,都讲述了一段月球早期经历的狂暴历史。
两个月球,两次碰撞


对于月球的起源,科学界最主流的假设是1975年提出的碰撞理论。这个理论认为,在太阳系早期,与火星同等量级的“忒伊亚”行星撞击了地球,大量残骸碎片被抛向环地球的轨道。这些物质聚集起来,迅速降温冷却,形成月球。当月球冷却的时候,重的物质下沉而轻的物质上浮到表面,这一过程被称为分异作用。终于,铁质内核形成了,由内向外依次是液态外核、月幔和月壳。月幔虽已开始结晶,但是能够生热的放射性元素仍然使其保持很高的可塑性。在随后的几百万年内,新的小行星撞击创造了巨大的月球盆地,使月幔裂开,随后岩浆上涌,熔岩开始覆盖月球表面。

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撞击理论解释了为何月球的总体成分接近地球地幔、为何月球富含高熔点物质以及地月系统角动量、地月质量等问题,但不能解释月球双面的差异。于是,科学家提出了新的假设,月球背面深厚的月壳来自第二个更小的月球。也就是说,当“忒伊亚”撞进地球的时候,残骸碎片形成了两个月球,一大一小,在数千万年之后,又发生了一次碰撞——两个月球亲密接触、合二为一。

美国加州大学的埃里克·艾斯庞用计算机模拟了当时的过程。45亿年前,“忒伊亚”撞击地球,碎屑飞溅,聚集成许多小卫星(包括两个月球),大的月球吸收或者驱逐了其他卫星,只剩下一个直径1000千米的小月球卡在地球与大月球之间所谓的“拉格朗日点”(在两个大物体引力的作用下,能够使小物体稳定的点)处。这样,地球和两个月球的轨道稳定下来,彼此相安无事。然而,地球的潮汐力会不停地将两个月球向外推,渐渐地,这个三角平衡被打破了,来自太阳的重力开始发挥作用。小的月球开始偏离拉格朗日点,向大月球靠近,最终撞向大月球。

这一过程发生得非常缓慢,两者的相对速度为2.5千米/秒,这样的速度放在日常生活中是非常快的,但如果与小行星的撞击速度相比却是非常慢的。这种低速撞击不会形成环形山,但能使小的月球粉身碎骨,将背面的月壳增厚。


月球探测器发现,月球月壳上大都覆盖了一层多孔而又高度粉碎的碎岩和颗粒,科学家们称之为粗风化层,在月陆上其厚度在10米到20米之间,在月海中则有3米到5米。当小月球碰撞到大月球然后散成碎片的时候最容易产生这种粗风化层,所以埃里克·艾斯庞认为“两个月球”的假设与月球勘测轨道飞行器的观测结果是符合的。


高温的威力


埃里克·艾斯庞的理论是非常引人瞩目的,它实际上是一个改良版的月球撞击起源学说。但并不是所有科学家都认可“两个月球”的设想,一部分科学家认为,正面的极端高温才是月球形成今日面貌的主要原因。


美国宾夕法尼亚大学的施坦因·希古拉德森指出,“忒伊亚”与地球的撞击是非常猛烈的,这必然会加热我们的地球和月球,但是月球比地球小得多,它冷却的速度会更快。由于当时地球与月球的距离很近(仅为今天距离的1/20到1/10),并且地球非常热,温度超过2500℃,这造成了月球正面与背面温差非常大——正面经受着地球的辐射,极度高温,而背面已经在缓缓冷却。


这种温差对于月壳的形成起了非常重要的作用。月壳中铝和钙的含量很高,这些成分都很难蒸发。当高温的气态物质开始冷凝的时候,铝和钙会率先析出,毫无疑问,这一过程更容易在温度较低的背面大气中发生。在随后的数千万年时间内,这些成分与月球月幔中的硅结合,形成了斜长岩,进而累积成月壳。因此,月球背面的斜长岩会更多,月壳自然会更厚。


温度不仅仅影响月球月壳的形成,也影响了月球表面陨坑的尺寸。科学家分析了月球探测器带回的数据后发现,月球正面与背面的撞击坑数量实际上是差不多的,但是正面的坑尺寸都比较大。在月球正面有8个直径超过320千米的盆地,而背面只有一个。而月壳温度的高低恰好会影响撞击效果,如果月球正面的温度比背面月壳温度高几百度,那么同等强度的撞击在正面形成的盆地的规模将是背面的两倍。


艾托肯盆地带来的“大装修”


月球的撞击起源学说并不是所有科学家的出发点,美国布朗大学的彼得·舒尔茨将目光投向了南极的艾托肯盆地,期望在那里找到答案。舒尔茨认为,艾托肯盆地是太阳系中最大的撞击坑之一,而造成了如此大规模盆地的撞击,其能量必定足以给月球来一次全面的“大装修”,所以,月球的“变脸”应该与艾托肯盆地的诞生有着密切的联系。


他指出,早期的月球应该是非常均匀的,它的两面都很像今天的月球背面。在43亿年前,一颗巨大的小行星從侧面撞向了月球南极,撞击产生的冲击波横扫了整个月球,将能量沿着月球内部传递到了月球的正面,破坏了那里的月壳。在正面,所有的爆裂和震动都将会使岩浆渗出并流向月球表面。即使它们没有破土而出,也会来到非常接近月球地表的地方,随后的其他天体撞击仍会使岩浆流出来,形成月海,将正面改造成今天的样貌。


关于双面月球,科学家们的意见虽然存在分歧,但各有道理,很难证明谁对谁错,也许真实情况会是这些假想模型的综合。为了弄清楚这个问题,我们还需要更多的实地验证,在将来,新的航天计划会从月球背面带回更多的样本,帮助我们解开双面月球的谜题。

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