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月表之下的秘密
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Bruce Dorminey 文 Shea 编译 |
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环形山和火山平原掩盖了月面下方的熔融核心、无数的月震以及破解月球神秘历史的钥匙。 荒凉而没有生命，地球最近的邻居似乎在嘲笑我们的存在。月球上古老的高地和深色的火山平原长期以来一直吸引着天文学家，他们希望能搞清楚我们唯一的天然卫星是如何演化出如此这般极端的境地的。 我们所熟悉的月亮的脸在最近的30亿年里并没有改变多少，这给人产生了一个错觉。在月球永远朝向地球的一侧（正面），45亿年老的高地却毗连着年轻得多的由熔岩铺注的月海。即便是偶然看一眼月亮，你也会想知道地球和它间还有哪些不同之处？ 没有板块构造、没有大气、没有天气，月球的地质学看上去就好像是被尘封了一样。而事实上，月球的主要科学价值就在于那里是寻找地球最早期地质历史的理想场所。 科学家们仍在致力于回答一些基本的问题：月球的核心是什么样子？月幔具有怎样的结构？在月球的历史中出现了多少火山活动？虽然最近在月球表面和内部发现了存在大量水的证据，但为什么月球上的水要比地球上的少得多？  返月探秘 自从“阿波罗”计划在20世纪70年代初终止，对月球的系统探测就陷于停滞。尽管20世纪90年代美国的“月球勘探者”在环绕轨道上对月球的组成、重力以及月壳的磁场信号进行了探测，但月球科学仍然需要更大的探测舰队。 “阿波罗”宇航员着陆在了月球上的6个地点，但月球的表面积与南北美洲的总和相当。设想一下，如果你往美洲大陆派出了6个由2人组成的考察队，在6个不同的地区各呆上不超过3天的时间，那你又会对美国的地质情况了解多少呢？ 然而，最近美国、欧洲、中国、印度和日本的无人探测器推动了自“阿波罗”计划结束以来近40年来的月球科学的发展。由此，科学家们现在对于月球的形成也有了更多的认识。 大约45亿年前，在地球吸积了其目前质量的70%之后，一个火星大小的行星胚胎猛烈地撞上了地球。这一撞击剥离了地球的外部壳层并且摧毁了这个行星胚胎，在初生的地球周围形成了一片由融化的残骸组成的云。随后，在1,000年里这些残骸便聚集成了月球。 新生的月球距离地球3个地球半径左右，引力几乎在一瞬间就把它锁定进了同步绕转的状态，使得它始终只有一面对着地球。今天，依然被潮汐锁定的月球有着一张历经岁月沧桑的脸——它的表面布满了撞击所留下的遗迹。 深入细节 然而，碰撞起源还有一些无法确定的因素，例如原地球和撞击体的质量以及撞击的速度和角度等。尽管已经开展了几十年的研究和模拟，但至今仍然很难确切地说明这样的一次碰撞会产生什么。 这里的问题在于所用的计算机代码——平滑粒子流体动力学，它会用大约100,000个粒子来代表撞击体和被撞击体。这对于制作该过程的三维电影来说效果很好，但对于追踪由巨大碰撞所溅起的大量物质——从新生的高温电离原子到地球质量的半熔融行星——而言则太粗糙了。 虽然月球形成的大碰撞理论得到了最广泛的认可，但也并不是所有人都把宝押在它身上。月球是一个有着极为复杂演化历史的极为复杂的天体。在“阿波罗”计划之前，有一些十分杰出的科学家声称，“给我一块月球岩石，我就能还你一部月球历史”。但至今也没有人能做到这一点。再一次返回月球再采集一块样本也无济于事。 月球最初是铁和硅酸盐的混合体。最重的物质会沉到中心，形成一个绝大部分是铁且混有镍和少量硫的核心。另一方面，它的表面是一片至少有几百千米深的岩浆海。在约1亿年的时间里，它冷却并使得较重的橄榄石和辉石在它的底部结晶，形成月幔。较轻的斜长岩则上浮到了顶部并形成了月壳。今天月壳的厚度只有约60～80千米，且月球背面一侧较厚。在月壳和月幔之间则富含放射成因物质，包括了钾、稀土元素和磷。 水在哪儿？ 随着岩浆海的冷却和结晶，通过矿物晶格俘获氢氧根（由一个氧原子和一个氢原子组成），月球至少保留了一些水。如果之后晶格被注入的热量所破坏，氢氧根就有可能和另一个氢原子相结合形成水。 最近科学家对一些月球样本进行了分析，发现了比之前料想的更多得多的水。由此估计，月球内部的水含量在十亿分之64到百万分之5之间。这至少是先前任何月球水含量估计值的100倍。 虽然有了这份大礼，但月球依然是干得透透的——月球上的水含量几乎不到地球的1%。那这又是为什么呢？这也许是因为火星大小的撞击体本身就很干燥造成的。不过，就算它饱含水分，聚合成月球的物质最终也会因为残骸云中的高温和低压而失去绝大部分的水。 月球内部存在水的前景支持了水可能驱动了一些月球火山活动的想法。科学家们认为，“阿波罗”17号宇航局采集的橙色火成碎屑玻璃就形成于月球内部，在大型的岩浆喷发中被带到了表面。而驱动这些喷发的大概就是诸如水蒸汽这样的挥发性气体。  高温时代 引发月球火山活动——发生在39亿年前并可能直至10亿年前——的热量来自其内部放射性元素的衰变。它会融化月幔，影响月球表面。今天深色的月球平原覆盖着月球正面的大部分区域，而另一侧则基本上没有它们的踪影。 虽然月面的熔岩早已冷却，但内部却依然炽热。在几百千米之下，那里的温度应该接近橄榄岩的熔点。在月面之下约300千米处，橄榄岩的熔点温度在1,300℃左右。在月球内部最终冷却前，还需要数百万年的时间。 尽管温度很高，但月球内部似乎已经经历了最近的冷却期。美国宇航局正在运行的月球勘测轨道器发现了14个遍布全月球的叶状悬崖。其中最大的高约100米，绵延数千米。它们的形成时间都在10亿年内，是月球冷却和“最近”收缩阶段的醒目副产品。  探测内部 然而，除非能在月球上建立一个全球性的热流传感器网络，否则科学家就无法了解月球的内部温度，也无从知晓为什么月球的正面看上去似乎会更热。这正是月球最大的谜题之一——为什么最高的放射性出现在月球正面，尤其是在风暴洋和雨海盆地中。这是一个“鸡生蛋、蛋生鸡”的问题。是由于在某一侧聚集了更多的热量而导致了月壳变薄，还是因为月壳较薄而使得更多的放射性物质可以在那里聚集？ 答案也许就在对月球内部历史和目前状态的彻底认识中。其中的一大难题是，为什么月核占月球半径的比例会远远小于地球。激光测月实验测量结果显示，月球有一个半径约为350千米的液态核。 激光测月测量的是从地面发射的激光从月面5个反射镜阵列上反射回的脉冲。通过在高于1～2厘米的精度上测定月球的距离，它可以探测出月球转动和距离上的微小变化。  震颤月球 月表之下正在发生的事情还会以震动的方式显现出来。月震中最强的是浅源的，深度在200千米以内。被记录下最强的月震为里氏5.9级，虽然逊于地球，但也是不小的震动。然而，最常见的还是深度在几百千米的月震，但强度只有1.5级。 随着月球冷却，它会收缩，造成月壳最上方的几千米发生挤压。大约1千米深的月震则被认为是由于月球近地点和远地点之间的潮汐应力所导致。 科学家们对于月震的认识还极为粗略。这部分是因为“阿波罗”宇航员在月面上安放的4个月震仪在1977年停止了工作。一个可靠的月震探测网至少需要4个分布在月球全球且能工作10年的站点。每个站点要包括反射镜阵列、月震仪以及热流传感器。它们必须要能全自动工作，不过很难筹集到足够的资金来建造这么多的着陆器。 提议中的“国际月球网络”可能会做得更好。科学家们设想在这个网络中至少有8个遍及全球且能同时工作的月球物理结点，其中也包括了位于月球背面的结点。他们希望这一设想能获得资助并在这个十年底开始组网运转。  采样返回 “月出”是美国宇航局可能会在2016年发射的采样返回任务，它会第一次为科学家带回月球背面的岩石。它的目标是月球南极的艾肯盆地，那里是月球上经确认最古老、最大、最深的撞击盆地。这一撞击的深度极大使得其中某些地点的样本可以揭示出上层月幔的早期情况。 但是，有人提出了一个甚至更雄心勃勃的计划。首先，一系列的机器人任务会建立月球物理站点；然后，宇航员会建立一个基地来进行后续研究。这个包含有16个站点的全球网络预计会耗资20亿美元，而一次采样返回任务的成本则为2.5亿美元。  有月球科学家提出，月球科学中最优先的应该是月幔和月核。一份完全的月球探测清单还应该包含获得液核的证据，取得有关月幔结构、月壳厚度、表面磁场异常、岩浆在不同地方如何演化的新认识，回答有关月球上水的无数谜题。 虽然希望很大，但除了“重力反演和内部实验”与“月球大气和尘埃环境探测器”之外，美国还没有正式资助任何未来的月球任务。这两个任务计划分别于2011年和2013年发射。 然而就算如此，月亮仍会守住它的秘密，不过不会永远如此。 |
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[Astronomy 2011年3月]
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2001-2020火流星工作组制作
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