月球的秘密：為什麽月球岩石沒有月球那麽古老?

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月球是一個很特別的地方。它是離我們最近的天體。在古代，人們對月球充滿了幻想，甚至猜測或許有外星生命居住在月球之上。現在我們當然知道，那裡仍是一片原始的土地，它的自然環境一點也不適合生命的生存。但隨著科學的進步，人類已經獲取了改變這一點的能力。對於那些夢想離開地球的探險家來說，月球是他們的首要目的地。

1969年7月20日，全世界6億多人共同目睹了歷史性的一幕：阿姆斯特朗和奧爾德林成功踏上月球表面！他們是第一批踏足月球的人類。在這50年裡，世界各地的航天機構紛紛加入了探索太空的行列，他們向火星、甚至更遙遠的地方不斷地發射探測器。然而， 人類對月球的好奇心和迷戀卻從未減退，還有許多關於月球的問題等待著我們去進一步探索。

/ Google 發布的紀念登月50周年的動畫。

1. 為什麽月球岩石沒有月球那麽古老?

/ 月球是如何形成的？主流的觀點認為，年輕的地球曾經歷一次巨大的撞擊，撞擊它的天體有火星那麽大。這次撞擊噴射出了許多物質，其中大部分被拋到了太空中；還有一些留在了軌道上；一些因撞擊而產生的碎片最終凝結成了月球。大碰撞假說很自然地解釋了月球的公轉、較低的密度以及元素的同位素豐度與地球地幔中元素豐度比一致等特徵。科學家從阿波羅號帶回的鋯石樣本中推算出月球的年齡剛剛超過45億年，隻比太陽系本身年輕6000萬年。

科學家在阿波羅號收集到的月球岩石樣本中，發現了一些異常的事情：大部分岩石都是來自39億年前的，幾乎沒有找到任何一塊來自月球誕生最初的6億年的岩石。科學家們由此推測，在39億年前，月球遭受了一段猛烈的轟擊，即所謂的月球災難說。

雖然這個理論能很好地解釋阿波羅號所采集回的岩石樣本，但同時也提出了一個大問題：是什麽導致了月球被這麽多岩石撞擊？一種主要的觀點認為，這是因為外行星（比如木星、土星）的公轉軌道曾一度離太陽非常近，在它們向外移動的過程中，產生了很多與月球發生碰撞的大岩石。還有一種理論認為，或許根本沒發生過月球災難，而之所以能檢測到39億年前的岩石主要是由於樣本偏差造成的。

阿波羅號的最後三次任務所采集的樣本都來自三個主要的隕石坑：雨海、澄海、酒神海。最新證據表明，所有這些樣本可能都只是39億年前形成最大隕石坑——雨海時所留下的碎片。在雨海形成之時，它的噴射物飛濺到了周圍的積水區，導致阿波羅號的宇航員收集的全部都是來自雨海的樣本。若要解開這個謎題，或許最好的辦法是采集那些不太可能被雨海“汙染”的隕石坑，比如去往月球的南極或者背面。一旦在那些地方發現大多數的樣本都超過39億年，那麽月球災難說就將受到嚴重質疑，但同時也有助於科學家更好地了解太陽系早期的情況。

2. 是什麽創造了月球的電離層？

在地球大氣層的外層有一片充滿了帶電粒子的區域，叫做電離層，它是由太陽風從大氣中剝離電子所致。20世紀70年代，蘇聯的兩架繞月飛行器發現月球的那層超薄的外逸層中也存在離子。自那以後，科學家就一直試圖解釋這一發現。

月球也有電離層並不是一件特別意外的事。任何有大氣層的星球，當氣體與太陽風相互作用時都會產生離子。只是對於月球來說，令人驚訝的是對其電離層密度的測量出現了差異，其測得的數值範圍從每平方厘米1000個電離粒子到每立方厘米約1/10個電離粒子不等，這種整整相差了4個數量級的差異範圍是非常巨大的。

2011年，一些科學家認為，月球電離層可能是由大氣中的電離塵埃形成的，如果是這樣的話，那麽月球的電離層將有別於地球的電離層。不過到了2013年，這一說法因兩個探月任務的探測器未能在月球的上層大氣中探測到可觀數量的塵埃而遭到了嚴重質疑。可問題是，如果真的每立方厘米有1000個電離粒子，月球外逸層氣體的電離作用就無法解釋這麽高的離子濃度，因為那裡根本沒有足夠的氣體。

這個謎題仍在繼續，接下來，科學家還將展開更多不同的實驗，以更高的精確度來確定電離層的密度，從而理解月球的電離層中的離子究竟是如何產生的。

3. 月球上的水從何而來？

就在去年，科學家確認了月球的兩極存在水冰，其中大多數冰存在於永遠處於黑暗中的南極隕石坑中，那裡的溫度從未高於-157攝氏度。目前，科學家尚不清楚這些水冰有著怎樣的形式，是大塊的冰還是與月面的浮土混合而成的晶體？對他們來說，最大的問題是這些水冰最初是如何形成的。

關於月球上的水的起源有三種主要理論：

最“顯而易見”的一種理論認為水冰是由小行星和彗星撞擊而形成的，在撞擊中水冰蒸發並最終抵達兩極；

另一種看法認為，是太陽風產生的氫離子與浮土的氧結合，最終由於表面溫度的波動而以汽化水的形式釋放出來；

最後一種可能性是，在形成月球的初始物質中就存在水，它們因火山爆發而被迫浮出月球表面。

這幾個相互競爭的理論還沒有得到真正的驗證，且有可能這三種機制都參與了水在月球上的形成過程，那麽問題就變成了：每種機制分別貢獻了多少水。

但即使科學家能夠確定月球水的來源，還有一個頗具爭議的問題就是，它們是如何集中到月球的兩極的。目前，研究月球的科學家對於隨著彗星和小行星撞擊時所蒸發的水是否能穿過月球表面，還是會被困在月球浮土中仍存在分歧。平息這場紛爭的唯一方法就是對返回樣本進行進一步的測試。

4. 關於早期太陽系，月球能告訴我們什麽？

月球缺少大氣，而且數十億年來一直沒有活躍的火山活動，這就意味著月球表面能在長時間內都保持相對不變。從某種意義上看，月球上的隕石坑就像一本描述了早期太陽系的歷史書。

正如前面所提到的，一個關於月球形成的主流理論認為，月球大約在39億年前受到了大量太空岩石的撞擊。如果來自月球表面的樣本能證實月球災難說，那麽就也將可以告訴我們太陽系是如何形成的。這不僅表明外層行星曾經離太陽很近，還意味著地球可能也曾受到了撞擊。這將使得地球表面的水分都會蒸發，從而導致那時存在的生命死亡。

月球這本神奇的歷史書似乎還記錄著太陽的早期歷史。今年早些時候，有天文學家根據月球地殼的組成，確定了太陽在它最初的10億年裡的自轉速度可能比相似的新生恆星慢50%。月球和地球在大體上由相似物質組成，但月球上的鈉和鉀明顯更少。天文學家利用這些數據進行建模，展示了太陽活動可以如何沉積或剝離月球上的礦物質，然後還整合了太陽耀斑和恆星轉速之間關係的數據。模擬結果顯示，太陽的自轉速度一定很慢，才能解釋現如今在月球上觀測到的鉀、鈉含量。這些關於太陽早期歷史的數據也有助於解釋一些其他事物，比如金星失去水分的速度有多快，火星失去大氣層的速度有多快，以及它如何影響了地球上的大氣化學。

/ 在嫦娥四號之前，所有的探測器都隻著陸在月球的正面。7月19日，在一篇發表於《科學》的論文中，中國科學家列出了中國月球探測計劃自2007年啟動以來所取得的成就，以及未來30年的規劃。| 圖片來源：NASA/GSFC/MIT

相比於其他星球，我們我們對月球的了解更多，但仍有許多重要的謎題在等待著我們解開。征服月球是我們通向其他行星的重要一環，這不僅僅是老生常談，而是完全正確的事實。對於太陽系來說，月球就像一塊羅塞塔石碑。如果我們想要了解並抵達更遠的星球，那麽月球就是最佳起點。

參考來源：

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

來源：中國國家天文