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月球的秘密

2019-7-21 20:46:48来源:原理微信公众号作者:不二北斗责编:远洋评论:

月球是一个很特别的地方。它是离我们最近的天体。在古代,人们对月球充满了幻想,甚至猜测或许有外星生命居住在月球之上。现在我们当然知道,那里仍是一片原始的土地,它的自然环境一点也不适合生命的生存。但随着科学的进步,人类已经获取了改变这一点的能力。对于那些梦想离开地球的探险家来说,月球是他们的首要目的地。

1969年7月20日,全世界6亿多人共同目睹了历史性的一幕:阿姆斯特朗和奥尔德林成功踏上月球表面!他们是第一批踏足月球的人类。在这50年里,世界各地的航天机构纷纷加入了探索太空的行列,他们向火星、甚至更遥远的地方不断地发射探测器。然而,人类对月球的好奇心和迷恋却从未减退,还有许多问题等待着我们去进一步探索。

1.为什么月球岩石没有月球那么古老?

○ 月球是如何形成的?主流的观点认为,年轻的地球曾经历了一次巨大的撞击,撞击它的天体有火星那么大。这次撞击喷射出了许多物质,其中大部分被抛到了太空中。还有一些留在了轨道上,一些因撞击而产生的碎片最终凝结成了月球。大碰撞假说很自然地解释了月球的公转、较低的密度以及元素的同位素丰度与地球地幔中元素丰度比一致等特征。科学家从阿波罗号带回的锆石样本中推算出月球的年龄刚刚超过45亿年,只比太阳系本身年轻6000万年。

科学家在阿波罗号收集到的月球岩石样本中,发现了一些异常的事情:大部分岩石都是来自39亿年前的,几乎没有任何一块来自月球最初的6亿年的岩石。科学家由此推测,在39亿年前,月球遭受了一段猛烈的轰击,即所谓的月球灾难说。

虽然这个理论能很好地解释阿波罗号所采集回的岩石样本,但它也提出了一个大问题:是什么导致了月球被这么多岩石撞击?一种主要的观点认为,这是因为外行星(比如木星、土星)的公转轨道曾一度离太阳非常近,在它们向外移动的过程中,产生了很多与月球发生碰撞的大岩石。还有一种理论认为,或许根本没发生过月球灾难,而之所以能检测到39亿年前的岩石主要是由于样本偏差造成的。

阿波罗号的最后三次任务所采集的样本都来自三个主要的陨石坑:雨海、澄海、酒神海。最新证据表明,所有这些样本可能都只是39亿年前形成最大陨石坑——雨海时所留下的碎片。在雨海形成之时,它的喷射物飞溅到了周围的积水区,导致阿波罗号的宇航员收集的全部都是来自雨海的样本。若要解开这个谜题,或许最好的办法是采集那些不太可能被雨海“污染”的陨石坑,比如去往月球的南极或者背面。一旦在那些地方发现大多数的样本都超过39亿年,那么月球灾难说就将受到严重质疑,但同时也有助于科学家更好地了解太阳系早期的情况。

2.是什么创造了月球的电离层?

在地球大气层的外层有一片充满了带电粒子的区域,叫做电离层,它是由太阳风从大气中剥离电子所致。20世纪70年代,苏联的两架绕月飞行器发现,月球的那层超薄的外逸层中也存在离子。自那以后,科学家就一直试图解释这一发现。

月球也有电离层并不是一件特别意外的事。任何有大气层的星球,当气体与太阳风相互作用时都会产生离子。只是对于月球来说,令人惊讶的是对其电离层密度的测量出现了差异,其测得的数值范围从每立方厘米1000个电离粒子到每立方厘米约1/10个电离粒子不等,这种整整相差了4个数量级的差异范围是非常巨大的。

2011年,一些科学家认为,月球电离层可能是由大气中的电离尘埃形成的,如果是这样的话,那么月球的电离层将有别于地球的电离层。不过到了2013年,这一说法因两个探月任务的探测器未能在月球的上层大气中探测到可观数量的尘埃而遭到了严重质疑。可问题是,如果真的每立方厘米有1000个电离粒子,月球外逸层气体的电离作用就无法解释这么高的离子浓度,因为那里根本没有足够的气体。

这个谜题仍在继续,接下来,科学家还将展开更多不同的实验,以更高的精确度来确定电离层的密度,从而理解月球的电离层中的离子究竟是如何产生的。

3.月球上的水从何而来?

就在去年,科学家确认了月球的两极存在水冰,其中大多数冰存在于永远处于黑暗中的南极陨石坑中,那里的温度从未高于-157摄氏度。目前,科学家尚不清楚这些水冰有着怎样的形式,是大块的冰还是与月面的浮土混合而成的晶体?对他们来说,最大的问题是这些水冰最初是如何形成的。

关于月球上的水的起源有三种主要理论:

最“显而易见”的一种理论认为水冰是由小行星和彗星撞击而形成的,在撞击中水冰蒸发并最终抵达两极;

另一种看法认为,是太阳风产生的氢离子与浮土的氧结合,最终由于表面温度的波动而以汽化水的形式释放出来;

最后一种可能性是,在形成月球的初始物质中就存在水,它们因火山爆发而被迫浮出月球表面。

这几个相互竞争的理论还没有得到真正的验证,且有可能这三种机制都参与了水在月球上的形成过程,那么问题就变成了:每种机制分别贡献了多少水。

2009年,NASA向着月球的南极发射了探测卫星LCROSS,此次任务不仅探测到了水的存在,而且还发现了彗星中常见的其他物质的混合物,这表明至少有一些水是乘着太空岩石来到的月球。若要更好地了解有多少水是由彗星、小行星或太阳风带到月球表面的,最好的方法或许是前往月球南极,将样本采集带回地球,进行同位素组成检测。

但即使科学家能够确定月球水的来源,还有一个颇具争议的问题就是,它们是如何集中到月球的两极的。目前,研究月球的科学家对于随着彗星和小行星撞击时所蒸发的水是否能穿过月球表面,还是会被困在月球浮土中仍存在分歧。平息这场纷争的唯一方法是返回样本进行进一步的测试。

4.关于早期太阳系,月球能告诉我们什么?

月球缺少大气,而且数十亿年来一直没有活跃的火山活动,这就意味着月球表面在长时间内都相对保持不变。从某种意义上看,月球上的陨石坑就像一本描述了早期太阳系的历史书。

正如前面所提到的,一个关于月球形成的主流理论认为,月球大约在39亿年前受到了大量太空岩石的撞击。如果来自月球表面的样本能证实月球灾难说,那么就也将可以告诉我们太阳系是如何形成的。这不仅表明外层行星曾经离太阳很近,还意味着地球可能也曾也受到了撞击。这将使得地球表面的任何水分都会蒸发,从而导致在那时存在的任何生命的死亡。

月球这本神奇的历史书似乎还记录着太阳的早期历史。今年早些时候,有天文学家根据月球地壳的组成,确定了太阳在它最初的10亿年里的自转速度可能比相似的新生恒星慢50%。月球和地球在大体上由相似物质组成,但月球上的钠和钾明显更少。天文学家利用这些数据进行建模,展示了太阳活动可以如何沉积或剥离月球上的矿物质,然后还整合了太阳耀斑和恒星转速之间关系的数据。模拟结果显示,太阳的自转速度一定很慢,才能解释现如今在月球上观测到的钾、钠含量。这些关于太阳早期历史的数据也有助于解释一些其他事物,比如金星失去水分的速度有多快,火星失去大气层的速度有多快,以及它如何影响了地球上的大气化学。

○ 在嫦娥四号之前,所有的探测器都只着陆在月球的正面。7月19日,在一篇发表于《科学》的论文中,中国科学家列出了中国月球探测计划自2007年启动以来所取得的成就,以及未来30年的规划。|图片来源:NASA/GSFC/MIT

相比于其他星球,我们我们对月球的了解要更加多,但仍有许多重要的谜题在等待着我们解开。征服月球是我们通向其他行星的重要一环,这不仅仅是老生常谈,而是完全正确的事实。对于太阳系来说,月球就像一块罗塞塔石碑。如果我们想要了解并最抵达到更远的星球,那么月球就是最佳起点。

参考来源:

https://www.wired.com/story/apollo-11-lunar-mysteries-moon-science/

https://www.nasa.gov/feature/ames/ice-confirmed-at-the-moon-s-poles/

https://www.space.com/apollo-11-complete-guide.html

https://solarsystem.nasa.gov/news/982/10-cool-things-nasas-lunar-reconnaissance-orbiter-is-teaching-us-about-the-moon/

https://science.sciencemag.org/content/365/6450/238

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