雙面月球:一次巨大撞擊的兩種結(jié)局
此次研究仿真了南極—艾特肯盆地的撞擊過程,結(jié)果表明撞擊會在月幔中產(chǎn)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(chǎn)生南極—艾特肯盆地的各種直接撞擊和掠射撞擊,發(fā)現(xiàn)不管何種撞擊,產(chǎn)生幔柱的區(qū)域和方向結(jié)果都一樣:只在朝向地球的月球正面方向發(fā)生。
自阿波羅時代起,科學(xué)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(xué)家對月球的兩副“面孔”提出了一種全新的解釋:數(shù)十億年前,形成月球背面南極—艾特肯盆地(SPA)的巨大撞擊,產(chǎn)生了足以傳遍整個月球的巨大熱量,促成了月幔物質(zhì)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(qū)域?qū)ΨQ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(chǎn)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(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上。
中國科學(xué)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(guān)
KREEP巖是科學(xué)家關(guān)注的焦點之一,被認為是月球火山活動持續(xù)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(xù)的火山活動提供熱源。
中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)行星科學(xué)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(jié)過程中的末期產(chǎn)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(jié)之后形成。
平勁松介紹,KREEP巖最早發(fā)現(xiàn)于阿波羅-12樣品,后來幾乎在所有返月樣品中都發(fā)現(xiàn)了其碎片,它們存在于月球正面巖漿巖區(qū)域。同時,1994年美國克萊門汀探測器發(fā)現(xiàn)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(qū)域。
主流假說認為,月球最年輕的玄武巖(火山活動的產(chǎn)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(dǎo)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(guān)。
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(zhì)的區(qū)域。
平勁松表示,新研究仿真了SPA的撞擊過程,結(jié)果表明撞擊會在月幔中產(chǎn)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(chǎn)生SPA的各種直接撞擊和掠射撞擊,發(fā)現(xiàn)不管何種撞擊,產(chǎn)生幔柱的區(qū)域和方向結(jié)果都一樣:只在朝向地球的月球正面方向發(fā)生。
談及這個過程的內(nèi)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(qū)動下,月幔物質(zhì)從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域。低黏度的鈦鐵礦層在此作用下被推向風暴洋及周圍區(qū)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(shù)大,風暴洋及周圍區(qū)域仍會保留可觀的鈦鐵礦及KREEP物質(zhì)。
平勁松補充道,形成SPA的巨大撞擊,產(chǎn)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(zhì)的熔化。通過月幔翻轉(zhuǎn)過程,促使月球正面形成富含鈦鐵礦和KREEP巖的月幔源區(qū),并把月球內(nèi)部的物質(zhì)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(qū)域月面對稱的近地側(cè),產(chǎn)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(zhì)呈現(xiàn)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(nèi)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(gòu)造等。
據(jù)了解,目前并沒有相關(guān)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(chǎn)生巨型線性構(gòu)造的假說。
由于SPA撞擊事件與風暴洋克里普地體的相關(guān)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(jié)合當時的月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)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(chǎn)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(gòu)造方面,國外研究人員通過“圣杯號”月球探測器的重力數(shù)據(jù),觀察到了包圍風暴洋克里普地體的巨型線性伸展構(gòu)造,進而提出風暴洋克里普地體形成的內(nèi)生模型。該模型認為并不需要額外的撞擊事件就能產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn),“月球除了形貌、地質(zhì)和化學(xué)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(chǎn)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(xué)家發(fā)現(xiàn),月球體內(nèi)存在不少“質(zhì)量瘤”,其分布規(guī)律呈現(xiàn)二分性。平勁松解釋,月球正面月海地區(qū)下方存在高密度物質(zhì),形成許多重力高于周邊的巨大“質(zhì)量瘤”,而“質(zhì)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(zhì)量瘤”偏多偏重,導(dǎo)致月球的質(zhì)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(zhuǎn)與繞地球公轉(zhuǎn)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(jù)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?!逼絼潘烧f,部分原因是,地球?qū)τ趤碜钥臻g的小天體、微流星的引力更大,幫助月球正面規(guī)避了一部分撞擊。
我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn),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?!逼絼潘烧f。
唐 芳
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