数十亿年前，当月球“由内而外”时，发生了什么？

往事随风760

（左）月球的详细图像（右）月球左侧重力梯度图和横截面示意图，显示了月球地幔翻转产生的两个含钛铁矿的堆积向下流。（图片来源：美国国家航空航天局/阿德里安·布罗奎特/亚利桑那大学和奥黛丽·拉斯波德斯）

据美国太空网（Robert Lea）：42亿年前，月球从内到外翻转，形成了人类熟悉的月球表面。

大多数科学家都认为，月球是在大约45亿年前创造的，当时太阳系中的另一个大质量物体撞击地球，将熔融物质抛向太空，形成我们的天然卫星。

然而，亚利桑那大学月球和行星实验室（LPL）的一组科学家将月球的诞生描述为“更多的是一部自己选择的冒险小说”。

他们说，地球的天然卫星有很多可能完整形成，最终形成我们今天看到的月地系统。当然，对于可能形成月球的主要事件，该团队有自己的想法。研究人员表示，例如，阿波罗任务期间收集的岩石样本可能表明，有一段时间月球“由内而外翻转”

如果这一结果属实，也可能解开关于月球成分的一个挥之不去的谜团。

研究合著者、LPL副教授Jeff Andrews Hanna在一份声明中说：“我们的月球真的翻了个底朝天。”。“但在月球历史的这一关键阶段，几乎没有实物证据来揭示事件的确切顺序，而且在发生的细节上——从字面上讲——也存在很多分歧。”

月球附近有钛吗？

从月球带回的玄武岩熔岩显示出惊人的高浓度钛。除此之外，卫星观测显示，富含钛的火山岩主要位于月球左侧。这让科学家们绞尽脑汁，想知道这些特殊的岩石是如何到达那里的，并且没有更广泛地分布。

亚利桑那大学的研究小组认为，月球形成迅速，起初完全被炽热的岩浆海洋覆盖。随着海洋的冷却和硬化，它将形成月球的外层，包括地幔和地壳。然而，在较低的层次上，婴儿月亮仍然处于混乱之中。

月球形成模型表明，这片巨大的月球海洋的最后遗迹结晶成了致密的物质，包括富含铁和钛的钛铁矿。

研究负责人、前LPL博士候选人梁伟刚说：“因为这些重矿物比下面的地幔密度更大，它们会产生引力不稳定性，你会认为这一层会更深地沉入月球内部。”。



（左）一个“传统”的月球视图（中心）区域被线性重力异常的多边形图案包围（右）蓝色斑块表示沉入月球内部的致密物质的痕迹。（图片来源：Adrien Broquet/亚利桑那大学）

问题仍然存在：在月球凝固后，这种物质会以单个“斑点”的形式同时下沉，还是以较小的斑点的形式一次下沉一点？而且，如果它在全球范围内沉入月球内部，其中一些是如何上升并将钛带到月球左侧的？

“在没有证据的情况下，你可以选择你最喜欢的型号，”研究人员联合首席作者、德国航空航天中心科学家Adrien Broquet在声明中说。“每一个模型都对月球的地质演化有着深刻的影响。”

合著者、北京大学科学家张楠此前开发的模型表明，对月球的巨大撞击可能导致地壳下一层致密的富钛物质向月球左侧移动。一旦到了那里，这种物质就会下沉，形成片状的板块，并级联到月球内部，在地壳下留下致密富钛矿床的交叉体形式的残留物。

Andrews Hanna说：“当我们看到这些模型预测时，就像灯泡亮了一样。”。“当我们观察月球重力场的细微变化时，我们看到了完全相同的模式，揭示了潜伏在地壳下方的致密物质网络。”

月球形成模型的GRAIL

为了巩固其富含钛的钛铁矿材料的熔融理论和对月球的观测，该团队转向了美国国家航空航天局重力回收和内部实验室（GRAIL）双航天器任务探测到的月球重力异常的相关数据。

布罗克说：“通过分析月球引力场的这些变化，我们可以窥视月球表面，看看下面是什么。”。

这证实GRAIL数据符合钛铁矿层模拟。

这样的证实还表明，重力场观测可以用来追踪大部分致密层沉入月球深处后留下的钛铁矿残余物的分布。

梁说：“我们的分析表明，这些模型和数据讲述了一个非常一致的故事。”。“正如GRAIL所看到的，钛铁矿物质迁移到左侧，并以片状级联的形式沉入内部，留下了导致月球重力场异常的痕迹。”



艺术家对美国国家航空航天局圣杯任务的概念。Grail的双宇宙飞船在绕月的串联轨道上飞行，以前所未有的细节测量其重力场。（图片来源：美国航空航天局/喷气推进实验室）

该团队还能够确定月球何时翻转过来。他们说，大型和古老的月球撞击盆地中断了重力异常，这表明富含钛铁矿的层在这些撞击之前就下沉了。这种“交叉”意味着下沉事件发生在42.2亿年前，这表明下沉可能引发了火山活动，后来在月球表面可以看到火山活动。

这项研究也为我们今天看到的有趣的月球图片增添了细微之处。数十亿年前月球地幔的翻转将导致在月球靠近地球的一侧形成一个被称为原星海区域的黑暗区域。

月球的这一区域海拔较低，地壳较薄，大部分被熔岩流覆盖，这与月球背面区域的地壳较厚不同。它还含有更高浓度的稀有元素，如钛和钍。Andrews Hanna说：“月球在各个方面都是根本不平衡的。”。“我们第一次有物理证据向我们展示了在月球进化的这一关键阶段，月球内部发生了什么，这真的很令人兴奋。

“事实证明，月球最早的历史是在月球表面下书写的，只是模型和数据的正确结合才揭示了这个故事。”

布罗奎特补充道：“月球早期演化的遗迹今天出现在地壳下方，令人着迷。

“未来的任务，例如地震网络，将允许更好地研究这些结构的几何形状。”

如果在2025年，美国国家航空航天局的阿尔忒弥斯三号任务自50年前阿波罗任务结束以来首次将人类送上月球，这些发现也有助于为未来对我们忠诚的月球伙伴的调查提供信息。

梁总结道：“当阿尔忒弥斯宇航员最终登上月球，开始人类探索的新时代。”。“我们对邻居的理解将与阿波罗宇航员第一次踏上它时截然不同。”

该团队的研究成果发表在《自然地球科学》杂志上。