天文學家認為(wei) ，月球是在火星大小的天體(ti) 與(yu) 原始地球相撞時形成。地球最終成為(wei) 這場碰撞的較大子體(ti) ，並保留了足夠的熱量，使其在構造上變得活躍。相反月球較小，冷卻速度可能會(hui) 更快，地質上就會(hui) 凍結。月球明顯的早期動態性挑戰了這一觀點。新的數據表明，這是因為(wei) 在災難性的月球形成碰撞之後，放射性元素分布是獨特的。月球和太陽，是地球天空中占主導地位的天體(ti) ，並提供了許多可觀察到的特征。

這為(wei) 行星和太陽係是如何形成的提供了證據，太陽係中的大多數行星都有衛星。例如，火星有兩(liang) 顆衛星，木星有79顆，海王星有14顆，有些衛星是冰態的，有些是岩態的，有些在地質上仍然活躍，有些相對不活躍。行星是如何獲得它們(men) 的衛星的，為(wei) 什麽(me) 它們(men) 有這樣的特性，這些問題可能會(hui) 揭示早期太陽係演化的許多方麵。月球是一個(ge) 相對寒冷的岩石體(ti) ，水含量有限，幾乎沒有構造作用。

科學家們(men) 目前認為(wei) ，地月係統是由一個(ge) 火星大小的天體(ti) （在希臘神話中被稱為(wei) 西婭(Theia)）在希臘神話中是月亮女神塞萊娜(Selene)的母親(qin) ，與(yu) 原始地球災難性地相撞而形成，導致兩(liang) 個(ge) 天體(ti) 組成部分混合在一起。這次碰撞的碎片被認為(wei) 在幾百萬(wan) 年後迅速分離形成了地球和月球。地球最終變得更大，地球大小正好適合它成為(wei) 一個(ge) 有大氣和海洋充滿活力的行星。月球最終變得更小，沒有足夠的質量來容納這些特征。

月球不對稱性的探索

因此，多虧(kui) 了形成地月係統的碰撞動力學，地球表現出了一些特殊之處，比如保留了水或形成大氣的氣體(ti) 等揮發性物質，並擁有足夠的內(nei) 部熱量，維持長期的行星火山活動和構造。數十年的觀察表明，月球曆史比預期的要活躍得多，火山和磁力活動發生在10億(yi) 年前，比預期要晚得多。月球近側(ce) 和遠側(ce) 如此不同的一個(ge) 線索來自於(yu) 其表麵特征可觀察到的強烈不對稱性。在月球永遠麵向地球的近側(ce) ，肉眼可以觀察到暗色和淺色的斑塊。

早期天文學家將這些黑暗區域命名為(wei) “瑪利亞(ya) ”(Maria)，拉丁語中“海”的意思，他們(men) 認為(wei) 它們(men) 是水體(ti) ，類比地球。一個(ge) 多世紀前，科學家們(men) 用望遠鏡計算出，這些區域實際上並不是海洋，而更有可能是火山口或火山地貌。當時，大多數科學家認為(wei) ，永遠無法看到的月球遠側(ce) 與(yu) 近側(ce) 進行比較。然而，由於(yu) 月球與(yu) 地球相對較近，僅(jin) 有38萬(wan) 公裏遠，月球是人類能夠探索的第一個(ge) 太陽係天體(ti) ，首先使用航天器，然後進行載人飛行。

上世紀50年代末和60年代初，蘇聯發射的無人太空探測器傳(chuan) 回了月球背麵第一批圖像，科學家們(men) 驚訝地發現，兩(liang) 麵的情況截然不同。遠方幾乎沒有瑪麗(li) 亞(ya) ，隻有1%的遠側(ce) 被瑪麗(li) 亞(ya) 覆蓋，而近側(ce) 麵的覆蓋率約為(wei) 31%。科學家們(men) 感到困惑，但他們(men) 懷疑這種不對稱為(wei) 月球是如何形成的提供了線索。在20世紀60年代末和70年代初，美國宇航局阿波羅登月任務將6艘航天器降落在月球上，宇航員帶回了382公斤的月球岩石，試圖通過化學分析來了解月球的起源。

探索月球的重要發現

有了樣本，科學家們(men) 很快就計算出月球這些斑塊的相對黑暗是由於(yu) 它們(men) 的地質組成，實際上，它們(men) 是由火山作用造成。還發現了一種新的岩石特征，科學家將其命名為(wei) Kreep-富含鉀（化學符號K）、稀土元素（REE，包括鈰、鏑、鉺、銪和其他地球上稀有的元素）和磷（化學符號P）的岩石，這與(yu) 瑪麗(li) 亞(ya) 有關(guan) 。但是，為(wei) 什麽(me) 火山活動和這些特征會(hui) 在月球的近端和遠端如此不均勻地分布，這就成了一個(ge) 謎。

現在，來自東(dong) 京理工大學地球生命科學研究所、佛羅裏達大學、卡內(nei) 基科學研究所、陶森大學、美國宇航局約翰遜航天中心和新墨西哥大學的科學家結合觀測、實驗室實驗和計算機建模，發現了關(guan) 於(yu) 月球如何獲得近側(ce) 和遠側(ce) 不對稱性的新線索。鉀(K)、釷(Th)和鈾(U)是放射性不穩定元素，這意味著它們(men) 以各種不同的原子構型出現，這些原子的中子數是可變的。這些可變組成的原子被稱為(wei) 同位素，其中一些是不穩定的，會(hui) 分解產(chan) 生其他元素，產(chan) 生熱量。

這些元素的放射性衰變產(chan) 生的熱量，可以熔化它們(men) 所在的岩石，這可能在一定程度上解釋了它們(men) 共存的原因。這項研究表明，除了加熱外，在岩石中加入克裏普成分也降低了它們(men) 的熔化溫度，這與(yu) 簡單的放射性成因衰變模型所預期的火山活動相結合。由於(yu) 這些熔岩流大多是在月球曆史的早期侵位的，這項研究還增加了關(guan) 於(yu) 月球演化的時間和各種過程在月球上發生的順序評估，而且這項研究需要從(cong) 事理論和實驗工作的科學家之間合作。

早期演化的重要見解

在對含有各種克裏普成分的岩石進行高溫熔融實驗後，研究團隊分析了這將對月球表麵火山活動的時間和數量產(chan) 生的影響，為(wei) 地月係統演化的早期階段提供了重要見解。由於(yu) 相對缺乏侵蝕過程，月球表麵記錄了太陽係早期曆史上的地質事件。特別是，與(yu) 月球上其他任何地方不同，月球近側(ce) 地區擁有鈾和釷等放射性元素的濃度。了解這些當地鈾和釷富集的來源，可以幫助解釋月球形成的早期階段，因此有助於(yu) 解釋早期地球的條件。

研究表明，自從(cong) 月球形成以來，月球上富含克裏普的瑪麗(li) 亞(ya) 影響了月球演化，這種非對稱、自我放大過程的證據，可能會(hui) 在我們(men) 太陽係的其他行星衛星上找到，也可能在整個(ge) 宇宙的岩石天體(ti) 上無處不在。

博科園｜研究/來自：東(dong) 京工業(ye) 大學

參考期刊《自然地球科學》

DOI: 10.1038/s41561-020-0559-4

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