□ 張 瑩

關(guān)于月球奧秘的新見(jiàn)解

□ 張 瑩

月球上看地球，阿波羅8號(hào)拍攝

月球圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yuǎn)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(zhǎng)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(yuǎn)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(lèi)對(duì)月亮的認(rèn)識(shí)也發(fā)生了飛躍式發(fā)展。1959年，蘇聯(lián)發(fā)射的月球3號(hào)（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(hào)（Luna-9）探測(cè)器在月球表面軟著陸，這些標(biāo)志著月球探測(cè)的巨大進(jìn)展。1969年7月21日，美國(guó)宇航員阿姆斯特朗代表人類(lèi)首次踏上月球表面，正像他所說(shuō)的，他邁向月球的那一小步是人類(lèi)探測(cè)宇宙史中的一大步。

相比其他天體，盡管月球的探測(cè)與研究已是如此領(lǐng)先，但是在科學(xué)家眼中，月球仍有許多待解謎團(tuán)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)怎樣？它的表面地形是如何形成的？整個(gè)月球又是來(lái)源于哪里？等等，這些問(wèn)題有待科學(xué)家進(jìn)一步做出準(zhǔn)確解答。

月球地表特征

不管是使用望遠(yuǎn)鏡，還是用肉眼直接觀測(cè)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(jì)，天文學(xué)家以為，月球上的黑暗區(qū)域是水的海洋，因此稱(chēng)它為月海，實(shí)際上月海沒(méi)有水，這里是地勢(shì)較低的廣闊平原。由于月海物質(zhì)反射率低，看上去才顯得黑暗。

用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)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(chēng)為環(huán)形山。即使用小型望遠(yuǎn)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(gè)月球表面。有些環(huán)形山周?chē)嬖谙蛩拿姘朔窖由斓拿髁翖l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(zhǎng)的山脈，綿延1000多千米。月球表面還有延伸的凹陷谷地，長(zhǎng)達(dá)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(chēng)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(hào)（Luna-3）探測(cè)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(cè)器和宇宙飛船對(duì)月球背面進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的觀測(cè)。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(dāng)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(duì)于兩者的不同，2014年美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組進(jìn)行了一項(xiàng)研究，試圖給出一個(gè)合理的解釋。研究人員認(rèn)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(zhì)脫離地球形成月亮。由于月亮個(gè)頭小，很快冷卻，而地球體積大，溫度降低十分緩慢。當(dāng)時(shí)，地球與月球的距離很近，大約2500℃的地球的熱輻射對(duì)月球產(chǎn)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(cè)溫度較高。由于這種溫度差別的存在，月球背面形成的地質(zhì)殼層很厚且硬度高，而月球正面形成的殼層比較薄。因此當(dāng)隕星撞擊月球時(shí)，月球正面的殼層巖石容易斷裂開(kāi)來(lái)，導(dǎo)致內(nèi)部的玄武質(zhì)熔巖涌出，形成廣闊的月海。而月球背面的殼層很厚，上述過(guò)程很難發(fā)生，無(wú)法形成月海。

月球內(nèi)部是冷還是熱？

早在20世紀(jì)六七十年代，通過(guò)阿波羅登月的日震測(cè)量設(shè)備，天文學(xué)家得出，月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(gòu)成則主要是低密度的斜長(zhǎng)石。后來(lái)天文學(xué)家進(jìn)一步進(jìn)行探測(cè)和研究發(fā)現(xiàn)，月核分為內(nèi)核和外核，內(nèi)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?xún)?nèi)。而月幔的范圍在月核以外至半徑1673千米以?xún)?nèi)，最外層的50~70千米為月殼。

月球與地球時(shí)時(shí)刻刻相依相伴，它在不停地圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)研究最為便利，但是，對(duì)于月球仍有許多未解決的問(wèn)題，例如，月球內(nèi)部的物理狀況如何？該問(wèn)題就是天文學(xué)家想進(jìn)一步探討的謎題之一。不久前，日本天文學(xué)家原田（Yuji Harada）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組分析了月亮女神探測(cè)器（SEKLENE）和其他探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出一個(gè)結(jié)論：在月球形成45億年之后的今天，它的內(nèi)部還處于火熱狀態(tài)。那么，這是為什么呢？研究的結(jié)果是，這一火熱狀態(tài)是由于地球?qū)υ虑虻某毕υ斐傻?。科研人員細(xì)心地進(jìn)行觀測(cè)和理論兩方面的研究，他們認(rèn)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(zhuǎn)化為熱能，也就是說(shuō)地球?qū)υ虑虻某毕饔檬沟迷虑騼?nèi)部溫度升高。

月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

月球年齡或許更大

目前，占主導(dǎo)地位的月球成因?qū)W說(shuō)是撞擊說(shuō)，一個(gè)火星大小的天體撞擊地球，飛濺出的物質(zhì)聚合成為月球。天文學(xué)家研究認(rèn)為，太陽(yáng)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(guó)洛林大學(xué)的紀(jì)堯姆?阿維絲（Guillaume Avice）和伯納德?馬蒂（Bernard Marty）對(duì)上述問(wèn)題做了新的研究，研究結(jié)果表明，或許月球形成比原來(lái)以為的時(shí)間早6000萬(wàn)年，也就是說(shuō)，月球可能在太陽(yáng)系形成之后4000萬(wàn)年形成。這兩位法國(guó)的科學(xué)家通過(guò)檢測(cè)石英中的氙元素得出了上述結(jié)論，他們利用的兩塊石英晶體分別來(lái)自澳大利亞和南非，都形成于幾十億年以前。在更早的時(shí)候，也有科學(xué)家采用其他方法得出與此相似的月球年齡結(jié)論。

天體相撞的美術(shù)圖

阿波羅11號(hào)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(shuō)

當(dāng)今，關(guān)于月球的起源主要有四種學(xué)說(shuō)，分裂說(shuō)、俘獲說(shuō)、同源說(shuō)和撞擊說(shuō)。分裂說(shuō)認(rèn)為，太陽(yáng)系形成初期，地球處于熔融狀態(tài)，且地球自轉(zhuǎn)速度很快，約為現(xiàn)在的6倍，強(qiáng)大的離心力加上太陽(yáng)的潮汐作用，在地球赤道區(qū)形成一連串細(xì)長(zhǎng)的膨脹體，最終分裂出去形成月球。俘獲說(shuō)認(rèn)為，月球原來(lái)可能是繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)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(shuō)認(rèn)為，地球和月亮都是太陽(yáng)系星云不斷演化而形成的。這三個(gè)學(xué)說(shuō)，在一定程度上都可解釋月球的形成，但是也面對(duì)不少難以解釋的難題。

現(xiàn)在最為盛行的月球形成學(xué)說(shuō)是撞擊說(shuō)。在太陽(yáng)系早期，行星形成的過(guò)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(zhì)蒸發(fā)，噴射到地球之外，這些物質(zhì)逐漸冷卻凝聚形成月球。2014年來(lái)自國(guó)外的兩個(gè)新的研究成果，支持月球形成的這一學(xué)說(shuō)。

來(lái)自德國(guó)科隆大學(xué)的研究人員認(rèn)為，如果月球主要由撞擊天體（被天文學(xué)家命名為忒伊亞，Theia）的物質(zhì)形成，那么月球的化學(xué)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(duì)月球巖石進(jìn)行化學(xué)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(jì)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(wàn)分之十二。這應(yīng)該是天體忒伊亞的化學(xué)特征，這一結(jié)果是對(duì)撞擊說(shuō)的有力支持。

與德國(guó)研究人員不同，來(lái)自美國(guó)哈佛大學(xué)的研究人員，從地球的化學(xué)成分研究找到了支持撞擊說(shuō)的證據(jù)。按理說(shuō)，天體忒伊亞與地球撞擊產(chǎn)生的巨大能量完全可以將地球融化，但是，當(dāng)撞擊的能量在地球上不是均勻分布時(shí)，被撞擊的一側(cè)地球物質(zhì)可能獲得絕大部分能量而蒸發(fā)，但是，地球另一側(cè)受到保護(hù)，并沒(méi)有完全融化。所以地球地幔物質(zhì)沒(méi)有被撞擊完全攪和，結(jié)果使得地幔深層和淺層的化學(xué)成分有所不同。哈佛大學(xué)的研究人員分析了地幔中物質(zhì)的化學(xué)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(jié)果與撞擊說(shuō)吻合。

月球正在遠(yuǎn)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(yuǎn)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(zhuǎn)方向相反，在地球內(nèi)部物質(zhì)的摩擦作用下，地球自轉(zhuǎn)速度會(huì)逐漸變慢，大約每經(jīng)過(guò)百年，一天的時(shí)間長(zhǎng)度增加0.0015秒，同時(shí)使得月球每年遠(yuǎn)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(gè)小時(shí)。據(jù)天文學(xué)家推算，6.2億年之前，當(dāng)時(shí)地球一天的時(shí)間只有21個(gè)小時(shí)。

那么月球遠(yuǎn)離地球的運(yùn)動(dòng)何時(shí)會(huì)停止呢？在潮汐作用下，只有地球的自轉(zhuǎn)和月球的公轉(zhuǎn)相匹配的情況下，也就是地球以同一面朝向月球，天的長(zhǎng)度等于月的長(zhǎng)度時(shí)，月球遠(yuǎn)離地球的運(yùn)動(dòng)才會(huì)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(xué)家的推算，月球遠(yuǎn)離地球的運(yùn)動(dòng)要持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，在它停止的時(shí)候，太陽(yáng)早已經(jīng)成為了紅巨星。

2014年10月8日，在美國(guó)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(nóng)歷每月十五或者十六，滿(mǎn)月掛在天空，看上去似一個(gè)圓盤(pán)，由此，古代人們相信月球一定是一個(gè)完美的圓球。當(dāng)人類(lèi)有了天文望遠(yuǎn)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(cè)的發(fā)展，人類(lèi)也了解了月球的表面地形概況。月球背面幾乎沒(méi)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(shì)比較低洼，這樣一來(lái)，月球正面地形的總高度比月球背面略低。就整個(gè)月球來(lái)說(shuō)，正面一側(cè)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)圓球的原因是什么呢？如果考慮地球?qū)υ虑虻某毕ψ饔?，那么在朝向和背離地球的兩側(cè)都為凸起才行，似一個(gè)指向地球的橄欖。有些天文學(xué)家推測(cè)，也許在月球形成后的幾千萬(wàn)年，有另一個(gè)天體撞擊了月球，導(dǎo)致成為現(xiàn)在的形狀。但是，撞擊的細(xì)節(jié)如何？沒(méi)有天文學(xué)家給出說(shuō)明。那么究竟真實(shí)原因何在？尚有待于進(jìn)一步的研究。

（責(zé)任編輯 張長(zhǎng)喜）