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月球的内部结构,为什么令科学家们感到困惑?

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宇宙解码 2021-10-17 20:20

关于月球的成因,目前在科学界主要有两个声音,一个是自然形成说,其形成历史与过程,与地球等太阳系内的各大行星相似,都是引力聚集星际物质的结果,后来被地球引力俘获成为卫星。另一个是地球剥离说,是在地球刚形成不久,一颗太阳系内质量很大的天体撞击月球,从而将地球的一部分以碎片的形式撞击到地球附近,然后又在引力作用下逐渐聚合,形成炙热的月球。

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无论是何种成因,月球在形成之初的状态,都是一颗表面被高温、呈流体状态的熔岩所覆盖。随着时间的推移,这些熔岩逐渐冷却,致密的矿物质慢慢下沉形成月球的地幔,密度较小的矿物则上升形成地壳。但是,通过先前的研究发现,月球的地幔层结构要远比地球复杂,造成这种现象的原因,究竟是什么呢?

月球内部的热量来源

太阳系内的行星、卫星以及大型小行星等大型岩石天体,它们的形成原因有着非常相似的地方。在50亿前,太阳系所处空间位置发生了一次大规模的超新星爆发,上一任大质量恒星在巨大能量释放下,组成物质被抛洒在宇宙空间中,无数气体和尘埃笼罩着这一片空间。在这些物质在引力作用下,不断聚集和坍塌,慢慢形成了天体的雏形。

太阳就是在这样一个漫长的过程中形成的,这个空间中99.8%以上的物质均被太阳所吸附,剩余的“边角料”又在引力和太阳风的作用下,发生相互撞击和聚合,逐渐粘合在一起,通过亿万年的酝酿,这种聚合的过程,就像滚雪球一样,形成越来越大的团块,最终形成各个行星以及大小不一的小行星和卫星。

在以上漫长的演化过程中,由于星际气体和尘埃的频繁碰撞,产生了大量的热量,这些热量在当时整个太阳系都非常“炎热”的大背景下,很大一部分得以保留在核心处,从而在地壳的保护下,能够缓慢地释放热量。另外,在聚合时天体的组成物质中,包括很多放射性元素,这些元素衰变时也会释放出大量的热量。当天体的质量较大,以上两个过程可以推动天体在形成早期,有足够的热量使得表面形成岩浆“海洋”。

月球地幔结构的复杂性

截至目前,只有美国、前苏联和中国从月球带回了部分月壤样本,这些样本为我们深入了解月球的岩石结构和组成、月球地壳演化历史、月球表面受到太阳辐射的作用机制等提供了第一手资料,这其中就可能包含着月球受陨石撞击,从更深的地幔中“炸”出的地幔碎片。这些碎片,对于科学家们揭示月球的熔岩海洋的冷却和物质结晶过程,具有极为重要和特殊的意义。

岩浆“海洋”随着时间的推移而冷却演化,一般情况下会发生致密物质下沉、轻物质上升的状况。岩浆“海洋”的形成及其演化,则被科学家们认为是整个太阳系和其它星系中岩质行星和卫星的共同过程。其中地球的卫星-月球,则是目前认为保留这个过程最为完好、证据最为充分、我们更易接近和实现的天体。

在先前的研究中,美国NASA通过对月球岩石样本、建立月球的物理和化学模型,绘制了在月球表面可能存在月球地幔碎片位置的地图,并更新了月球地幔在冷却和凝固时如何演化的猜测。根据这些猜测,解释了美国月球勘探者和月球勘测轨道飞行器、印度月船一号航天器上的月球矿物测绘仪(美国研制)对月球进行观测的结果,并且深入推测了月球表面矿物的成分和丰度。

通过推演的结果,科学家们发现,月球地幔的演化,要比原先想象的要复杂得多,月球地幔中矿物的分布情况,显得十分凌乱。造成这种现象的原因,科学家们认为,月球形成早期,一些较早结晶和下沉的矿物,要比晚结晶和下沉的矿物密度小,从而致使地幔底部附近的轻物质试图上升,而靠近顶部的较重物质下降,这种“重力”翻转的结果,对月球地幔结构的研究,带来了很多不确定性。

所以,科学家们需要在月球上找到足够多的地幔碎片,才能更好地了解月球、地球和许多其他太阳系世界是如何演化的。

艾特肯盆地的重要性

月球的南极,存在着一个巨大的盆地-艾特肯盆地,它的直径约为 2600 公里,是目前已经确认的月球上最大的撞击结构,在该区域是最有可能寻找到足够多的深层地幔碎片的理想场所。

多年来,科学家们一直对月球背面艾特肯盆地表面的放射性异常感到困惑。通过研究,这种异常的放射性,与岩浆海洋结晶结束时在最上层地幔中形成的“淤泥”一致。按理说,这些密度较大的“淤泥”应该已经完全沉降到地幔中。但是最新的模拟结果表明,这些“淤泥”在沉降到上地幔中后,被后来巨大的撞击重新喷溅出来,随着温度的下降,这些致密物质再也深不下去了,从而得到保留在艾特肯盆地表面。

所以,在月球南极的艾特肯盆地,是目前在月球表面可以轻松挖掘出远古地幔物质的最佳地点。而之前美国、前苏联以及后来的其它国家,在月球表面软着陆的诸多探测器中,还没有实现在月球背面的探测,更不用说在艾特肯盆地内部了。而我国的嫦娥四号的降落地点,正是月球背面的艾特肯盆地,“玉兔二号”月球车目前仍然在该盆地内进行深入的探测活动。

我国的科学家们,利用“玉兔二号”月球车搭载的测月雷达,直接可以进行就位测量,从而获得月球背面地下浅层的雷达图像以及月表以下岩层的特性参数,从而实现撞击喷溅物内部地层序列的重构。从目前研究结果看,我国已经掌握了着陆区地下40米深度内的地质分层结构,这些研究成果,让美国为首的一些国家感到震惊和羡慕,他们研究了一大圈,最后指向的月球理想研究区域,早被我们所掌握了,而且已经取得了令世人瞩目的结果。

后续的探月计划

对月球开展深入的探测研究,不但可以为解释地球等太阳系岩质天体的形成演化规律,而且还能成为人类认知宇宙的一个理想跳板,所以近年来,对月球开展新一轮的探测活动,一下子成为航空航天大国的热点。

美国在“阿波罗”计划实施后50年后,提出了阿尔忒弥斯计划,准备在2024年,将两名航天员(一男一女)运送到月球南极,并希望到2028年建立一个月球基地,从而为再远时期实现火星载人探测和建立火星基地打下基础。

我国在成功实施嫦娥系列探月工程后,实现了“绕、落、回”的既定目标,不过这仅仅是我国探月工程的序幕,后续还有一系列重磅工程,比如,在2030年前,将实现月球科研站基本型的“勘、研、建”任务,打造集探测、科研与应用于一体的月球基地,此后随着太空科研任务的升级,将会持续对月球基地进行扩展,最终形成我们对月球进行长期科研和资源应用的能力。

月球只是人类奔赴更加遥远星辰大海的“加油站”,除了上述后续探月工程外,我国还将进行小行星探测、火星采样及返回、木星探测等深空探测任务。以月球为背景,瞄向更加深邃的星空,将是世界各国科学家的共同愿景和努力方向,在不久的将来,肯定会给我们带来更加多彩的宇宙画卷。

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