关于月球奥秘的新见解

□ 张 莹

关于月球奥秘的新见解

□ 张 莹

月球上看地球，阿波罗8号拍摄

月球围绕地球转动，轨道是椭圆形，它到地球的平均距离为384400千米，在宇宙中是距离地球最近的天体。望远镜发明之前，人们用肉眼观看月亮，只能分辨表面明暗不同的区域。同其他民族一样，在悠久的历史长河中，中华民族流传着许多有趣的月亮故事。

1609年，伽利略制造出天文望远镜，发现月亮表面有许多环形山。从此，研究月亮不再靠想象，人类对月亮的认识也发生了飞跃式发展。1959年，苏联发射的月球3号（Luna-3）宇宙飞船获得月球背面的照片，1966年苏联的月球9号（Luna-9）探测器在月球表面软着陆，这些标志着月球探测的巨大进展。1969年7月21日，美国宇航员阿姆斯特朗代表人类首次踏上月球表面，正像他所说的，他迈向月球的那一小步是人类探测宇宙史中的一大步。

相比其他天体，尽管月球的探测与研究已是如此领先，但是在科学家眼中，月球仍有许多待解谜团，它的内部结构怎样？它的表面地形是如何形成的？整个月球又是来源于哪里？等等，这些问题有待科学家进一步做出准确解答。

月球地表特征

不管是使用望远镜，还是用肉眼直接观测月球，都可看出，它的表面大致分为明亮区域和较黑暗区域。其中黑暗的区域是月海，明亮的区域是月陆，月陆高出月海大约二三千米。17世纪，天文学家以为，月球上的黑暗区域是水的海洋，因此称它为月海，实际上月海没有水，这里是地势较低的广阔平原。由于月海物质反射率低，看上去才显得黑暗。

用望远镜观测月球，可以看到，它的表面有许多中间凹陷、四周高耸的圆坑，它们被称为环形山。即使用小型望远镜观察，月球正面的第谷环形山和哥白尼环形山也非常明显。环形山有的大有的小，几乎遍布整个月球表面。有些环形山周围，存在向四面八方延伸的明亮条纹，这些叫作辐射纹，它们往往可以延伸几百千米。同地球一样，月球上也有山脉，往往在围绕月海的月陆地区，连绵不断，外貌同地球山脉差不多。最著名的亚平宁山脉位于月球正面雨海的南部，是月球上最长的山脉，绵延1000多千米。月球表面还有延伸的凹陷谷地，长达几百到上千千米，宽约几千米到几十千米，这是月球上的月谷，小规模的月谷被称为月溪或沟纹。

月球正面

月球背面

为何月球正面与背面地表差异明显？

1959年，苏联的月球3号（Luna-3）探测器首次获得月球背面的照片，发现月球的正面与背面的地理状况存在明显不同。之后，许多空间探测器和宇宙飞船对月球背面进行过详细的观测。与月球正面相比较，月球背面更加高低不平，到处是崎岖陡峭的山峰，有更多的环形山。月球正面的月海占据相当大部分的面积，在月球背面则基本看不到月海，两者存在较大的差异。那么，为何月球的正面地表状况与背面相比如此不同呢？

对于两者的不同，2014年美国宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个小组进行了一项研究，试图给出一个合理的解释。研究人员认为，月球起源于火星大小的天体与地球的碰撞，剧烈的碰撞使得地球的温度急剧升高，一部分高温物质脱离地球形成月亮。由于月亮个头小，很快冷却，而地球体积大，温度降低十分缓慢。当时，地球与月球的距离很近，大约2500℃的地球的热辐射对月球产生显著影响，使得月球背离地球的一面温度低，而朝向地球的月球一侧温度较高。由于这种温度差别的存在，月球背面形成的地质壳层很厚且硬度高，而月球正面形成的壳层比较薄。因此当陨星撞击月球时，月球正面的壳层岩石容易断裂开来，导致内部的玄武质熔岩涌出，形成广阔的月海。而月球背面的壳层很厚，上述过程很难发生，无法形成月海。

月球内部是冷还是热？

早在20世纪六七十年代，通过阿波罗登月的日震测量设备，天文学家得出，月球内部结构包括月核、月幔和月壳三部分，月核部分铁元素的含量很高，月幔则以密度较高的橄榄石、斜辉石等岩石为主，而月壳的构成则主要是低密度的斜长石。后来天文学家进一步进行探测和研究发现，月核分为内核和外核，内核部分为固体，外核部分为液态，它们的总尺度约为中心至480千米半径以内。而月幔的范围在月核以外至半径1673千米以内，最外层的50~70千米为月壳。

月球与地球时时刻刻相依相伴，它在不停地围绕地球转动，现在月球与地球的距离在356，410~406，700千米之间变化。尽管在所有天体中月球的探测研究最为便利，但是，对于月球仍有许多未解决的问题，例如，月球内部的物理状况如何？该问题就是天文学家想进一步探讨的谜题之一。不久前，日本天文学家原田（Yuji Harada）领导的研究小组分析了月亮女神探测器（SEKLENE）和其他探测器的观测数据，得出一个结论：在月球形成45亿年之后的今天，它的内部还处于火热状态。那么，这是为什么呢？研究的结果是，这一火热状态是由于地球对月球的潮汐引力造成的。科研人员细心地进行观测和理论两方面的研究，他们认为月幔深层区域的岩石处于熔化状态，潮汐力在这里可以将引力能量不断转化为热能，也就是说地球对月球的潮汐作用使得月球内部温度升高。

月球内部结构示意图

月球年龄或许更大

目前，占主导地位的月球成因学说是撞击说，一个火星大小的天体撞击地球，飞溅出的物质聚合成为月球。天文学家研究认为，太阳系在大约45.7亿年之前形成，月球在此后的约1亿年形成。2014年法国洛林大学的纪尧姆•阿维丝（Guillaume Avice）和伯纳德•马蒂（Bernard Marty）对上述问题做了新的研究，研究结果表明，或许月球形成比原来以为的时间早6000万年，也就是说，月球可能在太阳系形成之后4000万年形成。这两位法国的科学家通过检测石英中的氙元素得出了上述结论，他们利用的两块石英晶体分别来自澳大利亚和南非，都形成于几十亿年以前。在更早的时候，也有科学家采用其他方法得出与此相似的月球年龄结论。

天体相撞的美术图

阿波罗11号的宇航员阿姆斯特朗登陆月球，带回一些月球岩石

更多证据支持月球起源撞击说

当今，关于月球的起源主要有四种学说，分裂说、俘获说、同源说和撞击说。分裂说认为，太阳系形成初期，地球处于熔融状态，且地球自转速度很快，约为现在的6倍，强大的离心力加上太阳的潮汐作用，在地球赤道区形成一连串细长的膨胀体，最终分裂出去形成月球。俘获说认为，月球原来可能是绕太阳运转的一颗小行星，由于轨道接近地球而被地球俘获，成为了地球的卫星。同源说认为，地球和月亮都是太阳系星云不断演化而形成的。这三个学说，在一定程度上都可解释月球的形成，但是也面对不少难以解释的难题。

现在最为盛行的月球形成学说是撞击说。在太阳系早期，行星形成的过程中存在大量碰撞现象。大约45.3亿年前，一颗火星大小的天体撞击了地球，巨大的能量使地球部分物质蒸发，喷射到地球之外，这些物质逐渐冷却凝聚形成月球。2014年来自国外的两个新的研究成果，支持月球形成的这一学说。

来自德国科隆大学的研究人员认为，如果月球主要由撞击天体（被天文学家命名为忒伊亚，Theia）的物质形成，那么月球的化学成分肯定与地球不同。利用现代最新的扫描电子显微镜，对月球岩石进行化学分析，这些月球岩石是阿波罗-11、阿波罗-12和阿波罗-16宇宙飞船于20世纪六七十年代从月球上带回的。他们发现，月岩中同位素氧17的含量比地球岩石高百万分之十二。这应该是天体忒伊亚的化学特征，这一结果是对撞击说的有力支持。

与德国研究人员不同，来自美国哈佛大学的研究人员，从地球的化学成分研究找到了支持撞击说的证据。按理说，天体忒伊亚与地球撞击产生的巨大能量完全可以将地球融化，但是，当撞击的能量在地球上不是均匀分布时，被撞击的一侧地球物质可能获得绝大部分能量而蒸发，但是，地球另一侧受到保护，并没有完全融化。所以地球地幔物质没有被撞击完全搅和，结果使得地幔深层和浅层的化学成分有所不同。哈佛大学的研究人员分析了地幔中物质的化学成分，发现氦和氮同位素的含量比例在地幔深层和浅层有所不同，这一结果与撞击说吻合。

月球正在远离地球而去

月球和地球之间存在相互的引力。地球海洋的潮汐现象，就是在近月地球表面和远离月球的地球表面月球引力不同造成的。由于潮汐传播方向与地球自转方向相反，在地球内部物质的摩擦作用下，地球自转速度会逐渐变慢，大约每经过百年，一天的时间长度增加0.0015秒，同时使得月球每年远离地球3~4厘米。目前，地球到月球的距离平均为384400千米，地球上每天24个小时。据天文学家推算，6.2亿年之前，当时地球一天的时间只有21个小时。

那么月球远离地球的运动何时会停止呢？在潮汐作用下，只有地球的自转和月球的公转相匹配的情况下，也就是地球以同一面朝向月球，天的长度等于月的长度时，月球远离地球的运动才会停止。现在，天王星和它的卫星卡戎就处于这种匹配状态。根据天文学家的推算，月球远离地球的运动要持续很长时间，在它停止的时候，太阳早已经成为了红巨星。

2014年10月8日，在美国加利福尼亚拍摄的月食照片

为何月球形状不是完美圆球？

农历每月十五或者十六，满月挂在天空，看上去似一个圆盘，由此，古代人们相信月球一定是一个完美的圆球。当人类有了天文望远镜后，发现了月球上的环形山、月海、山脉和月谷后，知道月球表面同样是高低起伏。随着近几十年空间探测的发展，人类也了解了月球的表面地形概况。月球背面几乎没有月海，主要是成片的高地，而月球正面分布着广阔的月海，约占正面总面积的31%。我们知道，月海的地势比较低洼，这样一来，月球正面地形的总高度比月球背面略低。就整个月球来说，正面一侧略呈凹陷，而月球背面略呈凸起，两者相差约1.9千米，因此，整个月球的形状是偏离完美圆球形的。

月球地形高低分布图

月球偏离标准圆球的原因是什么呢？如果考虑地球对月球的潮汐引力作用，那么在朝向和背离地球的两侧都为凸起才行，似一个指向地球的橄榄。有些天文学家推测，也许在月球形成后的几千万年，有另一个天体撞击了月球，导致成为现在的形状。但是，撞击的细节如何？没有天文学家给出说明。那么究竟真实原因何在？尚有待于进一步的研究。

（责任编辑 张长喜）