DAOrayaki |为什么月亮的两面如此不同

月球的近地面和远地面大相径庭。63年后,我们知道为什么了。

DAOrayaki |为什么月亮的两面如此不同

月球的近地面和远地面大相径庭。63年后,我们知道为什么了。

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研究种类:Space Exploration,Moon

原文作者:   Ethan Siegel

创作者:Sleepy Girl@DAOrayaki.org

审核者:heyyawn@DAOrayaki.org

原文:  Why the Moon’s two faces are so different

这张图来自NASA的月球轨道勘测飞行器,左右分别为月球的近侧和远侧。我们在1959年第一次看到了月球背面,并用55年的时间研究明白为什么它们在环形山、静海和地壳厚度方面大相径庭。(图片来源: NASA/GSFC/Arizona State University)

月球的近地面和远地面大相径庭。63年后,我们知道为什么了。

月球是迄今为止肉眼观测到的最大天体。与第二名金星相比,月球的肉眼观测直径是金星的30倍,观测面积是金星的1000倍,亮度是金星的100万倍。同时,哪怕仅仅是根据从地球上的有限观察,我们也能发现月球并非一个均匀的球体,其表面存在一些变化。

人眼观测到的明暗差异相对简单,比如”月亮上的人”(国内有桂树和兔子的传说)。但如果通过望远镜来观察,可以看到那些黑点点周围会有一圈明亮的部分,仿佛是轮廓。此外,还会看到山脊、高墙、环形山、一些小线条以及月球昼夜线。

这些特征为我们了解月球的历史,弄清楚月球的全貌提供了线索。

NASA的月球勘测飞行器拍到的照片。月海、陨石坑、高墙、山脊、小线条都清晰可见。(图片来源: NASA/GSFC/Arizona State University)

通过手边的望远镜观察月亮,我们不难发现月亮的两个重要特征:

  1. 撞击坑很多,浅色区的撞击坑比深色区的撞击坑多,而且大坑套小坑。
  2. 深色区被称为月海(maria,拉丁语为”seas”),其中陨石坑小而少。值得注意的是,这些区域的颜色和组成与月球的大部分区域截然不同。

月球近地面总是朝向地球。在一个月当中,随着地月运动,近地面的不同部分依次受到光照。

虽然月球因潮汐锁定,总是近地面面朝地球。但事实上根据开普勒运动定律,它的运动轨道其实是椭圆形的。因此我们能看到59%的月球表面,而非50%。(图片来源: Tomruen/维基共享资源)

月球的椭圆形运动轨道使得它近地时速度快,远地速度慢。这种现象称为月球平动[1]。也因此,我们能看到59%的月球表面,而非50%。

虽然看到的比一半多,但完整地看到背面还是1959年后的事了。当苏联的月球3号飞船[2]转到月球背面时,人类第一次看到了月球的背面。

尽管月球背面的照片质量很差[3],但我们还是能明显看到远地面在陨石坑、月海特征上与近地面完全不同。几十年来,虽然照片质量提升了,但还是不知道为什么有如此差异。

图a来自苏联的月球3号,图b是图a的现代技术修复版,图c来自NASA的月轨探测器 ( 图片来源:Prasantapalwiki/维基共享资源)

近地面和远地面最大的区别就是远地面没有月海。

北半球和南半球最大的区别是北半球环形山比较少,南半球环形山又多又古老。南半球环形山中的线条相互交叉,形成一张网。

这张照片是阿波罗8号,在西经162度,自北向南拍摄。可见这里众多的陨石坑,让以月海为主的近地侧相形见绌。

这个奇观的成因或许你已有了猜想,但很可能是错的。

众所周知,太阳系中有很多的小行星。正常情况下,这些天体会化作流星雨穿过地球上空。运气不好的时候,它们可能撞向地球,成为陨石。地球上的生命甚至有可能灭绝。

我们可能会想,月球近地面和远地面的差异,会不会是因为地球挡住了那些砸向月球近地面的陨石?

地月距离是地球直径的40倍,光从地球传播到月球需要1.25秒( 图片来源NASA imagery

这个猜想很好理解,但确实错的。在陨石撞月球的模拟实验中,由于地月距离极大,近地侧与远地侧的撞击次数差异小于1%。但事实上,远地侧环形山的数量是近地侧的1.3倍。

另外,撞击次数猜想无法解释近地测月海的形成。月海的本质是以熔岩海冷却后形成的大块玄武岩。它的存在于撞击无关,本该均匀存在于近地测和远地侧。但事实并非如此。

近远月侧的差异究竟从何而来?答案是,一次与陨石无关的太空撞击。

该图是DSCOVR飞船在地球上空160万公里出拍摄的,可清晰的观察到月球的远地侧。( 图片来源:NASA)

灭绝恐龙的那颗陨石,名叫Chicxulub。它大约有5公里到10公里宽。

但相比45.5亿年前撞击地球的月球比起来,不过如此。没错,月球近地侧的月海是撞地球撞出来的。月壤的成分与地球相同的这一事实便是佐证。

大约45亿年前,太阳系诞生初期。在地球轨道上有两个几乎相同的天体。其中一个就是现在的地球。那时的它质量仅是现在的90-95%。5000万年前,两个天体发生大冲撞。

两颗天体大冲撞,形成了地球和一堆碎片。这种碰撞还发生在火星、冥王星等行星上。( 图片来源 NASA/JPL-Caltech)

两颗天体大冲撞,绝大部分物质变成了如今的地球。剩下的部分变成碎片飘荡在周围。在引力作用下,碎片逐渐聚合,变成月亮。

这个猜想在上世纪70年代提出,并逐渐被证实。此外,火星和冥王星也可能是大冲撞产生的。

大冲撞时的地球很热,约2700开尔文。此时,形成月球的主体碎片可能还插在地球上。

最初的月球离地球很近,它在10万年内就被潮汐锁定了。它可能在形成月球之前,就已经失去了全部角动量。

如果真是这样,就解释了为什么近地侧有更多的岩浆冷却物。

撞击远古地球的天体被称为忒伊亚。它与地球的大冲撞使地球过热,并崩出大量碎片。碎片与忒伊亚聚合形成如今的月球。忒伊亚近地侧被地球高温烘烤,形成大量岩浆。( 图片来源: Mark A.Garlick)

Arpita Roy, Jason Wright 和 Steinn Sigurdsson[4] 三人在2014年证明了该猜想。

他们指出,由于潮汐力的存在,当时的月球被快速潮汐锁定。同时,近地侧温度远高于远地侧。

这导致月壤中的活跃金属在近地侧大量消耗,例如,铝和钙。

最终,在长期的单面烘烤后,月球的近地侧地壳变薄了很多。这种地壳厚度差异和地壳元素差异,在今天的月球上被发现。该事实称为地月大冲撞猜想的力证。

图中是1969年 Mauna Ulu火山爆发,可以想象一块再大的陨石掉进岩浆里,也不会留下陨石坑。毕竟岩浆是液体。同理,近地侧的月海也因此没有陨石坑。( 图片来源: National Parks Gallery/picryl

我们所看到的月海是熔岩凝结的产物。玄武岩的岩浆流入月球表面的大盆地。这些液体几乎覆盖了近地侧表面。就像“往湖里扔石头,到了冬天,冰面依旧平静”那样,再多的陨石撞击,也不会再近地侧的月海中留下疤痕。

这项研究同时表明,当天体仅受到一侧的加热,其地壳厚度、元素组成都会产生很大差异。

这六张图是NASA月轨探测器在月球赤道上拍摄,每张照片的夹角为60°。( 图片来源NASA/Goddard/Arizona State University

经过半个多世纪的探索,我们终于明白了月球的形成过程与其近远侧差异的原理。

谁能想到,如今只能反射太阳光的月球,也曾炽热而闪耀。

这次探究也启发了我们:无论猜想如何疯狂,我们都应寻找铁证来解释它。

这正是科学的魅力所在。

参考文章

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Libration#Lunar_libration

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Luna_3

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/File:Luna_3_moon.jpg

[4]http://scienceblogs.com/catdynamics/2014/06/09/heights-of-lunacy/


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