我们的月球是如何形成的？科学家在很大程度上已经有了共识：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，这些岩石碎片并合、冷却、凝固，形成了月球。
不过，对于这个过程中的一些具体细节，科学界仍存在分歧。在一项新发表于《自然·地球科学》杂志的研究中，一组科学家通过分析月球重力场的变化，为了解月球内部的演变提供了重要的见解。
月球正面的钛铁矿
我们对月球起源的大部分了解，主要来自于对50多年前由阿波罗号的宇航员收集到的岩石样本的分析。从月球带回的玄武熔岩样本显示出了高得惊人的钛浓度。后来的卫星观测发现，这些富含钛的火山岩主要位于月球正面。它们是如何以及为什么聚集在那里的？一直以来，这个问题仍然未知。
50多年前，阿波罗号的宇航员从月球带回了玄武岩熔岩，其中钛的浓度高得惊人。（图/NASA）
有模型表明，由于月球形成得又快又热，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，它结晶形成了月球的月壳和月幔。而岩浆海洋的最后一些剩余则会结晶成为稠密的矿物，比如钛铁矿（一种含钛和铁的矿物）。
这些更重的矿物比下面的月幔密度更大，从而造成了重力的不稳定。因此，按预期这一层矿物应该会沉入更深的月球内部。然而，在随后的几千年里，这些更加稠密的物质确实沉入了内部，与月幔混合、融化，并以我们今天在月表看到的富含钛的熔岩流的形式返回月面。
换句话说，月球实际上是把自己翻了个底朝天。但是，尽管已经有了丰富的地球化学证据，但对于月球的这段关键时期，仍然缺乏能揭示事件发生的确切顺序的物理证据。
月球正面的重力梯度图，以及两个由月幔翻转而来的含钛铁矿的下降流的横截面。（图/Adrien Broquet/University of Arizona & Audrey Lasbordes）
这些物质是在每次形成一点的时候就沉下去，还是在月球完全凝固以后全部一次性沉下去的呢？它是在全球范围内下沉，然后在月球正面上升，还是先迁移到月球正面再下沉的？它是一大团下沉，还是几个小团下沉？
重力异常
在这项新的研究之前，北京大学的科学家张南（Nan Zhang）就提出过一个模型预测，表明在月壳之下稠密的、富含钛的物质层，是先迁移到了月球正面，然后以片状的板组成的网络，几乎像瀑布一样倾泻到月球内部。但当这些物质下沉时，它们在月壳上留下了一小块由富含钛的稠密物质组成的相交线几何图样。
新的研究受到这一模型预测的启发。在这项研究中，研究人员将一个富含钛铁矿的下沉层的模拟结果，与圣杯号（GRAIL）任务在测量月球重力的微小变化时所探测到的一系列线性的重力异常，进行了比较。这些线性的重力异常围绕在月球正面的一大片被称为月海的黑暗区域。
月球正面的黑暗区域，或者说“月海”，被富含钛的火山流（中）覆盖，构成了从地球上看到的熟悉的月球景象（左）。月海区域被线性的重力异常的多边形模式（右边的蓝色图像）所包围，这可以被解释为稠密物质沉入内部时留下的痕迹。它们的存在为40多亿年前全球的月幔翻转提供了首个物理证据。（图/Adrien Broquet/University of Arizona）
他们发现，圣杯号的测量结果与钛铁矿层的模拟结果都讲述了一个一致的故事：钛铁矿材料先迁移到月球正面，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。
研究人员还利用观测数据推测了这一事件的时间。他们发现，这些线性重力异常被月球正面的一个最大、最古老的撞击盆地打断了，因此这些异常必定形成于更早的时期。基于这些信息，作者认为，富含钛铁矿的月层是在42.2亿年前下沉的，这一点与它对后来在月面观测到的火山活动的影响一致。
模型与数据的结合
这项新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了起来，为全球性的月幔翻转提供了首个物理证据。事实证明，月球最早的历史就书写在月表之下，通过将模型和数据正确地结合起来，就能揭示这个故事。
研究人员表示，当阿尔忒弥斯号月球探测器（ARTEMIS）的宇航员登陆月球之时，人类将开启探月的新时代。届时，我们对这颗近邻的理解将与阿波罗时期大为不同。
#创作团队：
编译：不二北斗
排版：雯雯
#参考来源：
https://news.arizona.edu/news/how-moon-turned-itself-inside-out
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01408-2
#图片来源：
封面图&首图：NASA