大約45億年前，一顆小行星撞上了年輕的地球，將熔化的巖石拋向太空。慢慢地，這些碎片聚集、冷卻、凝固，形成了我們的月球。關(guān)于地球的月球是如何形成的這一設(shè)想在很大程度上得到了大多數(shù)科學(xué)家的認同。亞利桑那大學(xué)月球和行星實驗室的研究人員在《自然地球科學(xué)》上發(fā)表了一篇論文，他們認為，關(guān)于這種情況發(fā)生的具體細節(jié)“更像是一本選擇你自己的冒險小說”。這些發(fā)現(xiàn)為了解月球內(nèi)部的演變提供了重要的見解，并可能為地球或火星等行星提供了重要的見解。

我們對月球起源的了解大部分來自于對50多年前阿波羅宇航員收集的巖石樣本的分析，并結(jié)合理論模型。從月球帶回的玄武巖熔巖巖石樣本顯示鈦的濃度高得驚人。后來的衛(wèi)星觀測發(fā)現(xiàn)，這些富含鈦的火山巖主要位于月球的近側(cè)，但直到現(xiàn)在，它們是如何以及為什么到達那里的仍然是一個謎。

因為這顆衛(wèi)星形成得又快又熱，它很可能被一個全球性的巖漿海洋所覆蓋。隨著熔融的巖石逐漸冷卻和凝固，它形成了月球的地幔和明亮的地殼，我們在夜晚仰望滿月時看到。但在地表以下的深處，年輕的月球嚴重失衡。模型表明，巖漿海洋的最后渣滓結(jié)晶成密集的礦物，包括鈦鐵礦，一種含有鈦和鐵的礦物。

“因為這些重礦物比下面的地幔密度大，它造成了引力的不穩(wěn)定，你可能會認為這一層會更深地沉入月球內(nèi)部，”領(lǐng)導(dǎo)這項研究的梁偉剛說，這是他在LPL博士工作的一部分。

不知何故，在隨后的幾千年里，這些致密物質(zhì)確實沉入了內(nèi)部，與地?；旌?，融化并以我們今天在地表看到的富含鈦的熔巖流的形式返回地表。

“我們的月球?qū)嶋H上是把自己從里面翻了出來，”共同作者、LPL副教授杰夫·安德魯斯-漢納說?！暗谠虑驓v史的這個關(guān)鍵階段，幾乎沒有實物證據(jù)能揭示事件的確切順序，而且在發(fā)生的細節(jié)上也有很多分歧?！?/p>

這些物質(zhì)是在一次形成的時候沉下去的呢，還是在月亮完全凝固以后一下子沉下去的呢?它是在全球范圍內(nèi)下沉，然后在近地面上升，還是遷移到近地面，然后下沉?它是沉成一大團，還是幾個小團?

“沒有證據(jù)，你可以選擇你最喜歡的模型。每個模型都對我們月球的地質(zhì)演化有著深遠的影響，”柏林德國航空航天中心的共同主要作者阿德里安·布羅奎特說，他在LPL做博士后研究助理時做了這項工作。

北京大學(xué)的張楠(Nan Zhang)也是這篇最新論文的合著者之一。在之前的一項研究中，他的模型預(yù)測，地殼下密集的富含鈦的物質(zhì)層首先遷移到月球的近側(cè)，可能是由月球遠側(cè)的巨大撞擊引發(fā)的，然后以片狀板的網(wǎng)絡(luò)沉入月球內(nèi)部，幾乎像瀑布一樣傾瀉到月球內(nèi)部。但當(dāng)這些物質(zhì)下沉?xí)r，它在地殼下留下了一小塊由富含鈦的致密物質(zhì)組成的線狀體相交的幾何圖案。

“當(dāng)我們看到這些模型預(yù)測時，就像一個燈泡亮了，”安德魯斯-漢納說，“因為當(dāng)我們觀察月球重力場的細微變化時，我們看到了完全相同的模式，揭示了潛伏在地殼下面的密集物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)。”

在這項新研究中，作者將一個富含鈦鐵礦的下沉層的模擬與美國宇航局GRAIL任務(wù)探測到的一系列線性重力異常進行了比較，GRAIL任務(wù)的兩個航天器在2011年至2012年間繞月球運行，測量了月球引力的微小變化。這些線性異常圍繞著月球近側(cè)的一片巨大的黑暗區(qū)域，被稱為mare(拉丁語為“?！?的火山流所覆蓋。

作者發(fā)現(xiàn)，GRAIL任務(wù)測量的重力特征與鈦鐵礦層模擬結(jié)果一致，重力場可用于繪制大部分致密層下沉后殘留鈦鐵礦的分布。

梁說:“我們的分析表明，這些模型和數(shù)據(jù)講述了一個非常一致的故事?！薄罢鏕RAIL所看到的那樣，鈦鐵礦材料遷移到月球近側(cè)，并以片狀瀑布的形式沉入月球內(nèi)部，留下了導(dǎo)致月球重力場異常的痕跡?！?/p>

研究小組的觀察也限制了這一事件的時間:線性重力異常被近側(cè)最大和最古老的撞擊盆地打斷，因此一定形成得更早。基于這些交叉關(guān)系，作者認為富含鈦鐵礦的地層在42.2億年前下沉，這與它對后來在月球表面看到的火山活動的貢獻是一致的。

“分析月球重力場的這些變化，讓我們得以窺見月球表面之下，看看下面是什么，”布羅奎特說，他與梁合作，證明月球重力場的異常與計算機模擬月球翻覆模型預(yù)測的致密富鈦物質(zhì)區(qū)域相符。

不平衡的月亮

研究小組表示，雖然探測到月球重力異常為月球內(nèi)部致密層的下沉提供了證據(jù)，并可以更精確地估計這一事件發(fā)生的方式和時間，但我們在月球表面看到的情況為這個故事增添了更多的懸念。

安德魯斯-漢納說:“月球在各個方面基本上都是不平衡的?！彼忉屨f，面向地球的近面，尤其是被稱為“Procellarum Oceanus”的黑暗區(qū)域，海拔較低，地殼較薄，大部分被熔巖流覆蓋，鈦和釷等典型稀有元素濃度很高。遠端在這些方面各不相同。不知何故，月球地幔的翻轉(zhuǎn)被認為與近側(cè)Procellarum區(qū)域的獨特結(jié)構(gòu)和歷史有關(guān)。但這一推翻的細節(jié)在科學(xué)家之間一直存在相當(dāng)大的爭議。

梁補充說:“我們的工作將月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的地球物理證據(jù)與月球演化的計算機模型聯(lián)系起來?！?/p>

安德魯斯-漢納說:“我們第一次有了實物證據(jù)，向我們展示了在月球進化的關(guān)鍵階段，月球內(nèi)部發(fā)生了什么，這真的很令人興奮?！薄笆聦嵶C明，月球最早的歷史是寫在表面以下的，我們只需要將模型和數(shù)據(jù)正確地結(jié)合起來，就能揭開這個故事?！?/p>

“早期月球演化的痕跡今天還存在于地殼之下，這是令人著迷的，”布羅奎特說?！拔磥淼娜蝿?wù)，如地震網(wǎng)絡(luò)，將允許更好地調(diào)查這些結(jié)構(gòu)的幾何形狀?！?/p>

梁補充說:“當(dāng)阿爾忒彌斯號宇航員最終登陸月球，開啟人類探索的新時代時，我們對我們的鄰居的理解將與阿波羅號宇航員第一次踏上月球時大不相同。”