科学界有关月球的最新发现

伤我心太深

　　研究者公布了关于月球的一些有趣的新消息，特别是关于它形成的方式和年代，以及在满月之时“月球上的人形”为何一直在凝视着我们。

　　现在是13日星期五。我随身携带的天文年历——观测者手册告诉我，满月即将在美国东部夏令时凌晨零点11分到来。占卜者可能会让你认为，这是个需要担心的时刻。并不是这样的！但是不祥之日（译注：西方以13为不祥的数字，13日又逢星期五尤甚）与月相的这种巧合是非常罕见的——如果使用世界时的话，下一次这种情况会出现在35年之后！

　　因此不要竖眉，让我们借此机会来竖起对我们地球最近的宇宙邻居的共同欣赏吧。过去的一周中，出现了三个有趣的研究发现。

　　

　　满月时分，月面上最明显的特征是暗色的月海（岩浆海），它覆盖了面对地球的大半个半球。（图片提供：Gary Seronik）

　　月球形成于何时？

　　思考宇宙的人长期以来一直想知道月球是从何而来的。100年前，研究者在没有任何真实证据的情况下，提出了三种可能性：月球与地球作为双行星一起形成（这样的观点被称为“共同吸积”），它在掠过地球附近的时候被地球俘获（“俘获假说”），或者是当地球自转过快变得不稳定的时候分裂而出（“裂变说”）。

　　这些理论都很有趣，不过当地质化学家手头有了一些真实的月球样本时，他们很快得出了结论，也就是这些说法都不是正确的。20世纪70年代的计算机模拟表明，月球最有可能是一颗火星级天体撞击年轻地球时形成的。抛出的庞大残片群在年轻的地球周围形成了环状结构，然后迅速坍缩成为月球。（假想的撞击天体经常被称为忒伊亚，以希腊神话中的泰坦众神之一命名。忒伊亚是月亮女神塞勒涅之母。）

　　这种“大碰撞假说”简洁地解释了月球组分的许多独特之处。举例来说，月球岩石中，氧、钨以及其他元素同位素的比例与地球非常接近（不久之后会更加接近）。而月球岩石含铁量非常少，（实际上）不含水分或者其他易于挥发的物质。另外地月系的角动量非常高。

　　

　　艺术家笔下两个行星级天体的碰撞。地球和火星尺度的“忒伊亚”之间的碰撞可能形成了月球。（图片提供：NASA / JPL）

　　那么这场大型碰撞发生在何时？由于地质化学家要对月球岩石中痕量放射性同位素及其衰变产物进行困难的测量，才能确定时间，碰撞时刻很难精确地估计出来。直到最近，最佳答案还是“在太阳系形成后大约1亿年”，也就是44.7亿年前。

　　然而本周在 戈德施密特 （Goldschmidt）地质化学会议上公布的新结果说明，这一事件的发生时间比先前估计要早熟大约6000万年。来自法国洛林（Lorraine）大学的纪尧姆·艾维斯（Guillaume Avice）与伯纳德·马蒂（Bernard Marty）分析了南非与澳大利亚含有石英的岩石中舒束缚的氙气体。他们的模型考虑了太阳系形成时氙的含量（通过陨石来确定），放射性碘、钚以及铀元素裂变产生的氙，还有（例如在大型撞击事件中）向外太空逃逸的氙。

　　艾维斯在新闻发布会中指出：“氙气体的信号让我们可以计算出大气层形成的时间，这可能就是地球与该行星级天体碰撞，并导致月球形成的时候。我们的结果意味着，地球和月球的年龄都要比先前认为的更古老”

　　因此基于这一结果，我们要将地月系的时钟重新设置到45.3亿年前再来计数。

　　月球是如何形成的？

　　大碰撞假说能很好地与观测数据吻合，不过还是有一些漏洞（这并非双关语）。

　　举例来说，月球应该有着混合的组分，部分来自原地球，部分来自忒伊亚。计算机模拟一直在表明，为了将足够的物质抛向轨道，需要发生一次倾斜碰撞。然而先前的分析已经表明，地球和月球岩石中氧元素三种同位素的比例恰好相同。为了满足这一点，忒伊亚与地球的起始氧元素同位素比例要一致（实际上这是不可能的），要么地球与新形成的月球要彼此交换白热化的蒸汽（充其量是牵强附会的），这样同位素可以“平衡”。（或者可以想象，撞击事件压根没有发生。）

　　好消息是，氧元素的比例并不是完全相同的。在6月6日的《科学》杂志上，由德国哥廷根（Göttingen）乔治·奥古斯特大学的丹尼尔·赫瓦兹（Daniel Herwartz）领导的小组使用改进过的技术，导出了氧-16、氧-17以及氧-18的同位素比例。首先他们尝试分析了落到地球上的月球陨石，但是他们的技术非常灵敏，可以探测到来自地球的污染。因此他们转而检验阿波罗11、12以及16号任务带回的月球样品。

　　使用这些样本，研究者发现了地球和月球岩石中氧-17与氧-16的比例存在百万分之12（正负3）的差异。赫瓦兹说：“这一差异很小，且难以探测，但是差异是存在的。重点在于，大型碰撞确实发生了，而且还对忒伊亚的成分提出了一些严格的显示，不过一个仍旧存在的问题是，我们并不知道它有多大。一些新近的建模工作认为，如果地球在撞击时自转已经很快了，那么一个较小的撞击天体也可以触发月球的形成。在这种情况下，最终月球大约不到10%的质量必然会来自忒伊亚。”

　　为何月球是双面人？

　　本周第三个与月球相关的成果尝试解决的是一个持续55年的谜题。自从月球的自转与地球锁定，我们只能看到其一个半球以来，我们并不知道不可见的半球是什么样的。之后在1959年，前苏联的月球3号探测器用无线电传回了具有历史意义的第一张月球背面照片，它说明月球背面与正面很是不同：我们熟悉的暗色月海在正面非常常见，但在背面几乎完全不存在。

　　自那以后，许多研究者尝试去解释这种双面现象，不过没有真正取得一致。现在来自宾夕法尼亚州立大学的研究者阿皮塔·罗伊（Arpita Roy）、詹森·莱特（Jason Wright）与斯坦恩·西居尔松（Steinn Sigurdsson）认为，他们得到了答案。

　　

　　我们只能看到月面的一半（左图），这一半球拥有许多暗色的圆形月海（也就是岩浆平原）。作为对比，借助探测器可见的月球背面（右图）月海沉积物非常少。（图片提供：NASA / Arizona State Univ.）

　　他们发表在6月9日《天体物理学通报》杂志上的文章解释说，当月球形成时，它比现在距离地球更近，只是当前距离的5%到10%，很快它的自转就被潮汐锁定了。两个天体由于撞击事件仍旧炽热，地球表面的温度是红热的4500华氏度（2500摄氏度）。这意味着月球的正面被支配在天空中的逼近且明亮的地球炙烤着，温度非常高，什么矿物都无法凝结为固体。

　　但是月球背面在地球上看不到，这里冷却速度要快得多。在密度相对低的含铝、钙矿物富集的地方，固体最先形成。这些早期的矿物成为了组成月壳的砖石，它们在总体温度较低的背面积累得较快，随后生长得更厚。

　　随后，猛烈的撞击轰击着年轻月表的各处。正面较薄的月壳因规模最大的撞击破裂得很深，为致密的富金属岩浆轻易提供了导管，让岩浆从内部深处上升到了表面。这些岩浆形成了暗色的月海，也就是如今所见的熟悉图样——“月球上的人形”。但是在月球背面，由于月壳较厚，类似的喷发几乎是不存在的。

　　罗伊及其同事称，这就是月球如何变成双面人的。