天文學(xué)家認(rèn)為，月球是在火星大小的天體與原始地球相撞時形成。地球最終成為這場碰撞的較大子體，并保留了足夠的熱量，使其在構(gòu)造上變得活躍。相反月球較小，冷卻速度可能會更快，地質(zhì)上就會凍結(jié)。

月球明顯的早期動態(tài)性挑戰(zhàn)了這一觀點(diǎn)。新的數(shù)據(jù)表明，這是因?yàn)樵跒?zāi)難性的月球形成碰撞之后，放射性元素分布是獨(dú)特的。月球和太陽，是地球天空中占主導(dǎo)地位的天體，并提供了許多可觀察到的特征。

這為行星和太陽系是如何形成的提供了證據(jù)，太陽系中的大多數(shù)行星都有衛(wèi)星。例如，火星有兩顆衛(wèi)星，木星有79顆，海王星有14顆，有些衛(wèi)星是冰態(tài)的，有些是巖態(tài)的，有些在地質(zhì)上仍然活躍，有些相對不活躍。行星是如何獲得它們的衛(wèi)星的，為什么它們有這樣的特性，這些問題可能會揭示早期太陽系演化的許多方面。月球是一個相對寒冷的巖石體，水含量有限，幾乎沒有構(gòu)造作用。

科學(xué)家們目前認(rèn)為，地月系統(tǒng)是由一個火星大小的天體（在希臘神話中被稱為西婭(Theia)）在希臘神話中是月亮女神塞萊娜(Selene)的母親，與原始地球?yàn)?zāi)難性地相撞而形成，導(dǎo)致兩個天體組成部分混合在一起。這次碰撞的碎片被認(rèn)為在幾百萬年后迅速分離形成了地球和月球。地球最終變得更大，地球大小正好適合它成為一個有大氣和海洋充滿活力的行星。月球最終變得更小，沒有足夠的質(zhì)量來容納這些特征。

月球不對稱性的探索

因此，多虧了形成地月系統(tǒng)的碰撞動力學(xué)，地球表現(xiàn)出了一些特殊之處，比如保留了水或形成大氣的氣體等揮發(fā)性物質(zhì)，并擁有足夠的內(nèi)部熱量，維持長期的行星火山活動和構(gòu)造。數(shù)十年的觀察表明，月球歷史比預(yù)期的要活躍得多，火山和磁力活動發(fā)生在10億年前，比預(yù)期要晚得多。月球近側(cè)和遠(yuǎn)側(cè)如此不同的一個線索來自于其表面特征可觀察到的強(qiáng)烈不對稱性。在月球永遠(yuǎn)面向地球的近側(cè)，肉眼可以觀察到暗色和淺色的斑塊。

早期天文學(xué)家將這些黑暗區(qū)域命名為“瑪利亞”(Maria)，拉丁語中“?！钡囊馑?，他們認(rèn)為它們是水體，類比地球。一個多世紀(jì)前，科學(xué)家們用望遠(yuǎn)鏡計算出，這些區(qū)域?qū)嶋H上并不是海洋，而更有可能是火山口或火山地貌。當(dāng)時，大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，永遠(yuǎn)無法看到的月球遠(yuǎn)側(cè)與近側(cè)進(jìn)行比較。然而，由于月球與地球相對較近，僅有38萬公里遠(yuǎn)，月球是人類能夠探索的第一個太陽系天體，首先使用航天器，然后進(jìn)行載人飛行。

上世紀(jì)50年代末和60年代初，蘇聯(lián)發(fā)射的無人太空探測器傳回了月球背面第一批圖像，科學(xué)家們驚訝地發(fā)現(xiàn)，兩面的情況截然不同。遠(yuǎn)方幾乎沒有瑪麗亞，只有1%的遠(yuǎn)側(cè)被瑪麗亞覆蓋，而近側(cè)面的覆蓋率約為31%?？茖W(xué)家們感到困惑，但他們懷疑這種不對稱為月球是如何形成的提供了線索。在20世紀(jì)60年代末和70年代初，美國宇航局阿波羅登月任務(wù)將6艘航天器降落在月球上，宇航員帶回了382公斤的月球巖石，試圖通過化學(xué)分析來了解月球的起源。

探索月球的重要發(fā)現(xiàn)

有了樣本，科學(xué)家們很快就計算出月球這些斑塊的相對黑暗是由于它們的地質(zhì)組成，實(shí)際上，它們是由火山作用造成。還發(fā)現(xiàn)了一種新的巖石特征，科學(xué)家將其命名為Kreep-富含鉀（化學(xué)符號K）、稀土元素（REE，包括鈰、鏑、鉺、銪和其他地球上稀有的元素）和磷（化學(xué)符號P）的巖石，這與瑪麗亞有關(guān)。但是，為什么火山活動和這些特征會在月球的近端和遠(yuǎn)端如此不均勻地分布，這就成了一個謎。

現(xiàn)在，來自東京理工大學(xué)地球生命科學(xué)研究所、佛羅里達(dá)大學(xué)、卡內(nèi)基科學(xué)研究所、陶森大學(xué)、美國宇航局約翰遜航天中心和新墨西哥大學(xué)的科學(xué)家結(jié)合觀測、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和計算機(jī)建模，發(fā)現(xiàn)了關(guān)于月球如何獲得近側(cè)和遠(yuǎn)側(cè)不對稱性的新線索。鉀(K)、釷(Th)和鈾(U)是放射性不穩(wěn)定元素，這意味著它們以各種不同的原子構(gòu)型出現(xiàn)，這些原子的中子數(shù)是可變的。這些可變組成的原子被稱為同位素，其中一些是不穩(wěn)定的，會分解產(chǎn)生其他元素，產(chǎn)生熱量。

這些元素的放射性衰變產(chǎn)生的熱量，可以熔化它們所在的巖石，這可能在一定程度上解釋了它們共存的原因。這項(xiàng)研究表明，除了加熱外，在巖石中加入克里普成分也降低了它們的熔化溫度，這與簡單的放射性成因衰變模型所預(yù)期的火山活動相結(jié)合。由于這些熔巖流大多是在月球歷史的早期侵位的，這項(xiàng)研究還增加了關(guān)于月球演化的時間和各種過程在月球上發(fā)生的順序評估，而且這項(xiàng)研究需要從事理論和實(shí)驗(yàn)工作的科學(xué)家之間合作。

早期演化的重要見解

在對含有各種克里普成分的巖石進(jìn)行高溫熔融實(shí)驗(yàn)后，研究團(tuán)隊(duì)分析了這將對月球表面火山活動的時間和數(shù)量產(chǎn)生的影響，為地月系統(tǒng)演化的早期階段提供了重要見解。由于相對缺乏侵蝕過程，月球表面記錄了太陽系早期歷史上的地質(zhì)事件。特別是，與月球上其他任何地方不同，月球近側(cè)地區(qū)擁有鈾和釷等放射性元素的濃度。了解這些當(dāng)?shù)剽櫤外Q富集的來源，可以幫助解釋月球形成的早期階段，因此有助于解釋早期地球的條件。

研究表明，自從月球形成以來，月球上富含克里普的瑪麗亞影響了月球演化，這種非對稱、自我放大過程的證據(jù)，可能會在我們太陽系的其他行星衛(wèi)星上找到，也可能在整個宇宙的巖石天體上無處不在。

博科園｜研究/來自：東京工業(yè)大學(xué)

參考期刊《自然地球科學(xué)》

DOI: 10.1038/s41561-020-0559-4

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