月球形狀３０億年基本未變

張建松

盡管人類已經(jīng)登上了月球，但仍有眾多的月球之謎有待科學(xué)家深入研究，其中最大的謎題就是月球到底如何形成的？為什么月球形成了不規(guī)則的三軸橢球體形狀？

中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理所高布錫研究員利用月球的天平動(dòng)參數(shù)以及引力場(chǎng)系數(shù)，計(jì)算出月球橢球體3個(gè)主向徑A、B、C的長(zhǎng)度和月球的形狀，并從理論上證明：大約在30億年前，月球已經(jīng)冷卻和固化，現(xiàn)在的月球基本上保留了凝結(jié)時(shí)的形狀。這項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，相關(guān)研究論文已刊登在國(guó)家核心期刊《天文學(xué)報(bào)》上。

高布錫認(rèn)為，月球的主向徑A、B、C是由月球的形狀和質(zhì)量分布所決定的，它們與月亮的二階引力位系數(shù)和天平動(dòng)參數(shù)有關(guān)，所以利用月球的引力位系數(shù)，或利用月球的天平動(dòng)參數(shù)，都可以對(duì)月球的動(dòng)力學(xué)形狀進(jìn)行研究，由月球的動(dòng)力學(xué)形狀又可以推算出月球凝結(jié)時(shí)的自轉(zhuǎn)和軌道狀態(tài)，這為探討月球的起源和軌道演化，提供了一條新的途徑。

早在18世紀(jì)末，法國(guó)數(shù)學(xué)家皮埃爾·西蒙·拉普拉斯就注意到，形狀不規(guī)則的月球自轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生“顫抖”，月球形狀好像被人用拇指和食指捏住兩極“擠”過(guò)了一樣。

20世紀(jì)六七十年代，人類發(fā)射到太空的探測(cè)器也發(fā)現(xiàn)，處于月球與地球連線上的月球半徑被拉長(zhǎng)，也就是說(shuō)，如

果沿赤道把月球分成兩半，截面不是正圓，而是像橄欖球一樣的橢圓，“球尖”指向地球。

不規(guī)則形狀

月球?yàn)槭裁葱纬闪诉@種不規(guī)則形狀？有科學(xué)家認(rèn)為，這是因?yàn)樵诰眠h(yuǎn)的月球形成初期，月球自轉(zhuǎn)較快，產(chǎn)生的離心力可能使月球赤道地區(qū)“鼓”出一塊。

但也有科學(xué)家認(rèn)為，月球曾經(jīng)沿著一條橢率很大的近地軌道運(yùn)行，而且月球的自轉(zhuǎn)周期與軌道周期共振，在月球通過(guò)近地點(diǎn)時(shí)，強(qiáng)大的地球引潮力使得月球在向地球的方向上被拉長(zhǎng)。共振保證了月球上的形變是比較固定的。由于月球比地球小得多，所以早在大約30億年前，月球的巖石圈已經(jīng)冷卻固化，因此月球的形狀被保留下來(lái)。

高布錫根據(jù)月球的3個(gè)主軸長(zhǎng)度之差，推算出月球凝固時(shí)的自轉(zhuǎn)周期為3.652天，月地距離比現(xiàn)在的月地距離近2.2倍，月球的自轉(zhuǎn)周期與繞地軌道周期之比約為2.2:1，很接近于共振。這一結(jié)果支持了后一種觀點(diǎn)。

“我們通過(guò)對(duì)月球形狀的研究，可以推算出30億年前的地球潮汐引力以及當(dāng)時(shí)月球的自轉(zhuǎn)速度，從而提供了月球凝固時(shí)的演化基點(diǎn)，這對(duì)于探索月球的起源和演變歷史是很有意義的。”高布錫說(shuō)。

四種說(shuō)法

目前關(guān)于月球的起源歸納起來(lái)共有4種假說(shuō)，即地月同源說(shuō)、俘獲說(shuō)、分裂說(shuō)和撞擊說(shuō)。

“同源說(shuō)”認(rèn)為地球和月亮由同一塊塵埃云凝聚而成，地球形成的時(shí)候，一開(kāi)始便以大團(tuán)的鐵為核心，并在其外圍吸積了許多密度較小的石物質(zhì)；月球的形成稍晚于地球，它由地球周圍殘余的非金屬物質(zhì)聚集而成，因而密度較小?！胺@說(shuō)”認(rèn)為，當(dāng)46億年以前太陽(yáng)系從一大團(tuán)星云物質(zhì)脫胎而出時(shí)，月球很可能是太陽(yáng)系里的一顆小行星，在圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的過(guò)程中，一度接近地球，并為地球的引力所俘獲，成為地球的衛(wèi)星?！胺至颜f(shuō)”則認(rèn)為，在40多億年前太陽(yáng)系形成之初，地球處于高溫熔融狀態(tài)，自轉(zhuǎn)很快，天長(zhǎng)日久，便從赤道地區(qū)飛出一大塊物質(zhì)，形成了月球，太平洋便是月球分裂出去的殘跡。這3種假說(shuō)都遇到較大的理論上的困難。

上個(gè)世紀(jì)80年代中期，一位美國(guó)天文學(xué)家擺脫了上述3個(gè)假說(shuō)的舊框框，提出一個(gè)嶄新的“撞擊說(shuō)”。他認(rèn)為，在太陽(yáng)系形成早期，一個(gè)如同火星般大小的小行星，與原始地球側(cè)面相撞，這顆行星的核和大部分物質(zhì)被地球吸收，形成了較大的以鐵鎳為主的地核和由硅酸鹽組成的地幔及地殼。其他部分碎片逐漸形成了月球。

“前3種假說(shuō)獲得了一些科學(xué)家的支持，但在某些問(wèn)題上又難以自圓其說(shuō)，尤其是分裂說(shuō)，現(xiàn)在贊成的人已經(jīng)不多了。我們的研究就是為這些假說(shuō)尋找理論依據(jù)，看看哪種假說(shuō)最完美、在科學(xué)上最站得住腳?！备卟煎a說(shuō)。

延伸閱讀：

月球，一顆離我們最近的星體，但它不是恒星、行星，而是圍繞地球旋轉(zhuǎn)的唯一的一顆天然衛(wèi)星。理所當(dāng)然，月球早在史前就已被人所知道。它是空中僅次于太陽(yáng)。由于月球每月繞地球公轉(zhuǎn)一周，地球、月球、太陽(yáng)之間的角度不斷變化；我們把它叫做一個(gè)朔望月。一個(gè)連續(xù)新月的出現(xiàn)需要29.5天（709小時(shí)），隨月球軌道周期（由恒星測(cè)量）因地球同時(shí)繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)變化而變化。

月球表面不少地方光滑如鏡。好像被什么不知來(lái)源的酷熱“燙”過(guò)了一樣。 專家們分析說(shuō),這并非是由巨大的隕石撞擊而造成的，有些科學(xué)家則認(rèn)為，太陽(yáng)爆出來(lái)的高熱才是主要的因素。太空探測(cè)帶回來(lái)的資料顯示，月球的外殼底下有大塊的濃縮物而且還有一股吸引力，太空船飛過(guò)時(shí)禁不住要傾斜?？茖W(xué)家只知道這些濃縮物是一種又重又密的物質(zhì)， 其余就一無(wú)所知了。

在地球上看月球時(shí)，會(huì)看到有些黑影，太空人登陸到這個(gè)平原狀的黑影區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)很難在它的表面上鉆孔，經(jīng)研究這里的土壤樣品中含有金屬元素如鈦、锫、釔等，科學(xué)家們?yōu)榇烁械绞煮@異，因?yàn)檫@些金屬元素要在相當(dāng)高的熱度——攝氏6000度以上才可能熔化，并與周圍的巖石混合在一些。

宇航員們從月球上帶回來(lái)的巖石樣品中，都含有純鐵的粒子，科學(xué)家們認(rèn)為這些純鐵粒子并非來(lái)自隕石。有專家報(bào)導(dǎo)，這些純鐵粒子帶回地球后，好多年都未生過(guò)銹，純鐵不生銹在科學(xué)界還是破天荒第一次遇到這種事情。

月球沒(méi)有大氣層。但是根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)表明可能在月球南極，處于永久陰暗面的大環(huán)行山處有固態(tài)水——冰。這如今已由月球勘探者號(hào)飛船證實(shí)。顯然月球北極也有冰。它的表面有兩種主要地形：巨大的環(huán)形山與古老的高原和相對(duì)平滑與年輕的月海。月海地形（覆蓋月球表面達(dá)16％）是由火山噴出的熾熱的熔巖沖蝕出的。大部分的表面是由灰土層塵埃與流星撞擊的石頭碎片覆蓋。出于未知的理由，月海地形集中于靠近于地球的一面。大多數(shù)靠近地球的環(huán)形山，火山以歷史上著名的科學(xué)家命名，背面的則多用近代的命名。

蘇聯(lián)飛行器月球2號(hào)于1959年代表人類第一次拜訪是月球，這也是人類第一次在非地球星體上探索。它也是唯一一個(gè)被采回表面樣本的星球。在1994年夏天，月球被大范圍地作了地圖映象。月球勘探者號(hào)如今正繞著月球轉(zhuǎn)。

地球與月球之間的引力場(chǎng)形成了有趣的現(xiàn)象。最顯而易見(jiàn)的便是潮汐現(xiàn)象。地球正對(duì)月球的一點(diǎn)引力最大，反面一點(diǎn)則相對(duì)弱小一些。地球，特別是海洋并不是完全地固定的，而是朝月球方向略有延伸的。從地球表面為透視角觀察的話，會(huì)看到地球表面的兩個(gè)膨脹點(diǎn)，一個(gè)正對(duì)月球，另一個(gè)則正對(duì)反面。