2024-04-10 16:49 来源：得道网
大约45亿年前，一颗小行星撞上了年轻的地球，将熔化的岩石抛向太空。慢慢地，这些碎片聚集、冷却、凝固，形成了我们的月球。关于地球的月球是如何形成的这一设想在很大程度上得到了大多数科学家的认同。亚利桑那大学月球和行星实验室的研究人员在《自然地球科学》上发表了一篇论文，他们认为，关于这种情况发生的具体细节“更像是一本选择你自己的冒险小说”。这些发现为了解月球内部的演变提供了重要的见解，并可能为地球或火星等行星提供了重要的见解。
我们对月球起源的了解大部分来自于对50多年前阿波罗宇航员收集的岩石样本的分析，并结合理论模型。从月球带回的玄武岩熔岩岩石样本显示钛的浓度高得惊人。后来的卫星观测发现，这些富含钛的火山岩主要位于月球的近侧，但直到现在，它们是如何以及为什么到达那里的仍然是一个谜。
因为这颗卫星形成得又快又热，它很可能被一个全球性的岩浆海洋所覆盖。随着熔融的岩石逐渐冷却和凝固，它形成了月球的地幔和明亮的地壳，我们在夜晚仰望满月时看到。但在地表以下的深处，年轻的月球严重失衡。模型表明，岩浆海洋的最后渣滓结晶成密集的矿物，包括钛铁矿，一种含有钛和铁的矿物。
“因为这些重矿物比下面的地幔密度大，它造成了引力的不稳定，你可能会认为这一层会更深地沉入月球内部，”领导这项研究的梁伟刚说，这是他在LPL博士工作的一部分。
不知何故，在随后的几千年里，这些致密物质确实沉入了内部，与地幔混合，融化并以我们今天在地表看到的富含钛的熔岩流的形式返回地表。
“我们的月球实际上是把自己从里面翻了出来，”共同作者、LPL副教授杰夫·安德鲁斯-汉纳说。“但在月球历史的这个关键阶段，几乎没有实物证据能揭示事件的确切顺序，而且在发生的细节上也有很多分歧。”
这些物质是在一次形成的时候沉下去的呢，还是在月亮完全凝固以后一下子沉下去的呢?它是在全球范围内下沉，然后在近地面上升，还是迁移到近地面，然后下沉?它是沉成一大团，还是几个小团?
“没有证据，你可以选择你最喜欢的模型。每个模型都对我们月球的地质演化有着深远的影响，”柏林德国航空航天中心的共同主要作者阿德里安·布罗奎特说，他在LPL做博士后研究助理时做了这项工作。
北京大学的张楠(Nan Zhang)也是这篇最新论文的合著者之一。在之前的一项研究中，他的模型预测，地壳下密集的富含钛的物质层首先迁移到月球的近侧，可能是由月球远侧的巨大撞击引发的，然后以片状板的网络沉入月球内部，几乎像瀑布一样倾泻到月球内部。但当这些物质下沉时，它在地壳下留下了一小块由富含钛的致密物质组成的线状体相交的几何图案。
“当我们看到这些模型预测时，就像一个灯泡亮了，”安德鲁斯-汉纳说，“因为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面的密集物质网络。”
在这项新研究中，作者将一个富含钛铁矿的下沉层的模拟与美国宇航局GRAIL任务探测到的一系列线性重力异常进行了比较，GRAIL任务的两个航天器在2011年至2012年间绕月球运行，测量了月球引力的微小变化。这些线性异常围绕着月球近侧的一片巨大的黑暗区域，被称为mare(拉丁语为“海”)的火山流所覆盖。
作者发现，GRAIL任务测量的重力特征与钛铁矿层模拟结果一致，重力场可用于绘制大部分致密层下沉后残留钛铁矿的分布。
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所看到的那样，钛铁矿材料迁移到月球近侧，并以片状瀑布的形式沉入月球内部，留下了导致月球重力场异常的痕迹。”
研究小组的观察也限制了这一事件的时间:线性重力异常被近侧最大和最古老的撞击盆地打断，因此一定形成得更早。基于这些交叉关系，作者认为富含钛铁矿的地层在42.2亿年前下沉，这与它对后来在月球表面看到的火山活动的贡献是一致的。
“分析月球重力场的这些变化，让我们得以窥见月球表面之下，看看下面是什么，”布罗奎特说，他与梁合作，证明月球重力场的异常与计算机模拟月球翻覆模型预测的致密富钛物质区域相符。
不平衡的月亮
研究小组表示，虽然探测到月球重力异常为月球内部致密层的下沉提供了证据，并可以更精确地估计这一事件发生的方式和时间，但我们在月球表面看到的情况为这个故事增添了更多的悬念。
安德鲁斯-汉纳说:“月球在各个方面基本上都是不平衡的。”他解释说，面向地球的近面，尤其是被称为“Procellarum Oceanus”的黑暗区域，海拔较低，地壳较薄，大部分被熔岩流覆盖，钛和钍等典型稀有元素浓度很高。远端在这些方面各不相同。不知何故，月球地幔的翻转被认为与近侧Procellarum区域的独特结构和历史有关。但这一推翻的细节在科学家之间一直存在相当大的争议。
梁补充说:“我们的工作将月球内部结构的地球物理证据与月球演化的计算机模型联系起来。”
安德鲁斯-汉纳说:“我们第一次有了实物证据，向我们展示了在月球进化的关键阶段，月球内部发生了什么，这真的很令人兴奋。”“事实证明，月球最早的历史是写在表面以下的，我们只需要将模型和数据正确地结合起来，就能揭开这个故事。”
“早期月球演化的痕迹今天还存在于地壳之下，这是令人着迷的，”布罗奎特说。“未来的任务，如地震网络，将允许更好地调查这些结构的几何形状。”
梁补充说:“当阿尔忒弥斯号宇航员最终登陆月球，开启人类探索的新时代时，我们对我们的邻居的理解将与阿波罗号宇航员第一次踏上月球时大不相同。”
