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一次巨大撞擊的兩種結局科學家對月球背面提出新解釋

2022-05-10 13:08:52 來源：科技日報

此次研究仿真了南極—艾特肯盆地的撞擊過程，結果表明撞擊會在月幔中產生一個熱幔柱，熱幔柱把深部放射性元素帶到了月殼和月表。值得一提的是，該仿真遍歷了產生南極—艾特肯盆地的各種直接撞擊和掠射撞擊，發現不管何種撞擊，產生幔柱的區域和方向結果都一樣：只在朝向地球的月球正面方向發生。

自阿波羅時代起，科學家就知道月球有兩面：一面正對著地球，另一面始終背對地球，面向地球的一面較為平坦，背向地球的一面則凹凸不平，遍布成千上萬的撞擊坑。

月球兩面為何如此不同是月球眾多謎團之一。

近日，科學家對月球的兩副“面孔”提出了一種全新的解釋：數十億年前，形成月球背面南極—艾特肯盆地(SPA)的巨大撞擊，產生了足以傳遍整個月球的巨大熱量，促成了月幔物質的熔化，其中的稀土(REE)和放射性生熱元素釷(Th)、鉀(K)、磷(P)等被攜帶到與撞擊區域對稱的月面，形成了克里普(KREEP)巖，分布在月球正面風暴洋及其周圍。放射性生熱元素的集中產生了月球表面的熔巖流，最終形成月球正面的火山平原。相關研究結果發表在《科學進展》雜志上。

中國科學院國家天文臺研究員平勁松向科技日報記者表示，新研究對揭示月球兩面的成因給出了較有說服力的分析。

月面KREEP巖與月背的一個盆地有關

KREEP巖是科學家關注的焦點之一，被認為是月球火山活動持續億萬年之久的原因。KREEP巖因富含鉀(K)、稀土(REE)、磷(P)等不相容元素而得名，還包括鈾(U)、釷(Th)等放射性生熱元素，為月球持續的火山活動提供熱源。

中國地質大學(武漢)行星科學研究所教授肖龍對記者表示，已有研究表明KREEP巖與鈦鐵礦都是巖漿洋固結過程中的末期產物，部分KREEP巖可能與鈦鐵礦混合在一起，分布在殼幔邊界，在月殼固結之后形成。

平勁松介紹，KREEP巖最早發現于阿波羅-12樣品，后來幾乎在所有返月樣品中都發現了其碎片，它們存在于月球正面巖漿巖區域。同時，1994年美國克萊門汀探測器發現月球正面存在一個被稱為風暴洋克里普地體的成分異常區域。

主流假說認為，月球最年輕的玄武巖(火山活動的產物)主要填充于月球正面的風暴洋克里普地體。但KREEP巖放射性生熱導致月球最年輕火山活動的假說，尚未得到驗證。

KREEP巖為何集中在月球正面的風暴洋?新研究提供了一個解釋，它與月球背面的SPA有關。

SPA是月球上最大、最深和最古老的撞擊盆地，直徑約2500公里，深度6—8公里，被認為是最有可能暴露出月球深部物質的區域。

平勁松表示，新研究仿真了SPA的撞擊過程，結果表明撞擊會在月幔中產生一個熱幔柱，熱幔柱把深部放射性元素帶到了月殼和月表。值得一提的是，該仿真遍歷了產生SPA的各種直接撞擊和掠射撞擊，發現不管何種撞擊，產生幔柱的區域和方向結果都一樣：只在朝向地球的月球正面方向發生。

談及這個過程的內部熱量動力機制，肖龍表示，月球南部SPA遭受撞擊后，大量的熱量迅速向北傳遞，SPA下部核幔邊界的溫度超過1800℃。在溫差的驅動下，月幔物質從高溫區域流向低溫區域。低黏度的鈦鐵礦層在此作用下被推向風暴洋及周圍區域。鈦鐵礦層具有更高的密度，在重力作用下，大部分鈦鐵礦層緩慢下沉至核幔邊界。由于基數大，風暴洋及周圍區域仍會保留可觀的鈦鐵礦及KREEP物質。

平勁松補充道，形成SPA的巨大撞擊，產生了足以傳遍整個月球(從月核幔傳向月殼)的熱能和動能，促成了月幔物質的熔化。通過月幔翻轉過程，促使月球正面形成富含鈦鐵礦和KREEP巖的月幔源區，并把月球內部的物質如稀土和放射性生熱元素借助火成過程集中攜帶到撞擊區域月面對稱的近地側，產生我們所看到的月球表面的熔巖流，從而使得月球正反面物質呈現不對稱性分布。

KREEP巖富集于風暴洋有三種解釋模型

KREEP巖為何集中于風暴洋及其周圍?肖龍介紹，目前有3種可能的模型，分別是SPA撞擊模型、風暴洋撞擊模型以及內生模型。不過，目前還沒有哪個模型得到廣泛認可。

SPA撞擊模型作為月球風暴洋克里普地體形成的模型之一，為認識風暴洋克里普地體的形成提供了一個思路。肖龍同時指出，SPA撞擊模型的成立，除了需要解釋KREEP巖的分布之外，還需要解釋風暴洋克里普地體的其他特征，比如較薄的月殼(小于30千米)和巨型的線性構造等。

據了解，目前并沒有相關研究支持SPA撞擊事件可以減薄風暴洋克里普地體的月殼厚度或者產生巨型線性構造的假說。

由于SPA撞擊事件與風暴洋克里普地體的相關性，肖龍指出，對SPA的采樣返回也許能驗證該模型。此外，如果能確定SPA的撞擊時間，結合當時的月球內部結構和地溫梯度，可以極大地改進SPA撞擊模型，獲得更為可靠的結果。

值得一提的是，風暴洋撞擊模型既可以解釋月殼的減薄，也能解釋KREEP巖的重新分布，因此得到了大量研究人員的支持。不過，肖龍表示，如果存在風暴洋撞擊事件，由于其產物被后期撞擊作用所覆蓋，所以很難被證實。

在解釋巨型線性構造方面，國外研究人員通過“圣杯號”月球探測器的重力數據，觀察到了包圍風暴洋克里普地體的巨型線性伸展構造，進而提出風暴洋克里普地體形成的內生模型。該模型認為并不需要額外的撞擊事件就能產生風暴洋克里普地體。肖龍表示，要驗證該模型，可能還需要對風暴洋克里普地體進行更高分辨率的重力模擬。

月球兩面在很多方面都存在二分性

千百年來月球只有一面朝向地球，另一面始終背對地球。這是人類探月的重要發現之一。更為神奇的是，月球面對和背對地球的兩面，有很大不同，這就是所謂的月球二分性。

已有研究發現，“月球除了形貌、地質和化學元素存在二分性外，在重力、磁、熱等特性上也都存在二分性，產生機理多不相同。”平勁松說。

月球并不是一個密度平均的天體，科學家發現，月球體內存在不少“質量瘤”，其分布規律呈現二分性。平勁松解釋，月球正面月海地區下方存在高密度物質，形成許多重力高于周邊的巨大“質量瘤”，而“質量瘤”在月球的背面要少一些，而且也小得多。平勁松指出，月球正面“質量瘤”偏多偏重，導致月球的質量中心與形狀中心不重合，前者比后者更靠近地球方向約2公里，引起的力矩潮汐作用鎖定月球自轉與繞地球公轉手性一致、周期相同，使得月球一面長期面對地球、另一面長期背對地球。

據報道，目前月球磁場的強度不足地球磁場的千分之一。平勁松指出，月球形成與演化歷史上是否存在強磁場還頗具爭議，但是月球表面的磁場也存在正面弱且少，背面稍強且分布范圍廣的二分特性。

近年來，小天體、微流星撞擊威脅地球的話題并不鮮見，其實它們撞擊月球正面和背面的概率也不相同。“相比之下，月球背面遭到威脅的概率更高一些。”平勁松說，部分原因是，地球對于來自空間的小天體、微流星的引力更大，幫助月球正面規避了一部分撞擊。

我國科學家發現，在接收太陽光照上，月球正面也比背面高幾個百分點，使得正面的風化程度比背面略強，淺表層也略熱一些。

“我國探月工程采用返回探測和未來月面科考站計劃等方式，必將更加清晰地揭開月球二分性謎團。”平勁松說。(唐芳)

關鍵詞：艾特肯盆地放射性元素阿波羅時代中國科學院國家天文臺