雙面月球背后的故事

月球正對著我們地球這一面，明暗相間，異常美麗，激發(fā)了無數(shù)文人的靈感；而月球的背面卻長著個麻花臉，異常丑陋。是什么原因?qū)е铝诉@樣的差距呢？

月球是距離地球最近的天體，在晴朗的夜晚，當(dāng)一輪明月高掛天空時，古人甚至僅憑肉眼就能分辨出月面的大體結(jié)構(gòu)——明亮的地方是月陸，黯淡的地方是月海。今天，借助于宇宙飛船和太空探測器，我們已經(jīng)可以繪制出完整的月面地圖，檢測出月球的物質(zhì)組成，甚至模擬出月球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

但是，月球仍有尚未解開的謎團(tuán)，比如它的起源問題，還有它的演化過程。另外，由于潮汐鎖定，月球始終以正面示人，直到1959年蘇聯(lián)的月球3號飛船返航，我們才第一次看到了月球的背面，但它的樣子有些奇怪，與正面大相徑庭?？茖W(xué)家想弄清楚，為什么月球會有截然不同的兩面？或者，兩面的差異是否能夠告訴我們一些月球早期的故事呢？

“變臉”的月球

在月球正面，月海是主要的地貌結(jié)構(gòu)，覆蓋的面積高達(dá)31.2%，它由富含鐵元素的玄武巖（火山噴發(fā)后冷卻下來的熔巖）組成。月海和月陸（主要由斜長巖組成）都有著光滑的地表，它們相互映襯，形成了明暗相間的格局。這使得月球的正面異常美麗，月海也成為西方文化的“月中人”以及東方文化的“嫦娥、玉兔”的靈感來源。

月球的背面則不那么好看了，那里缺少玄武巖，月海的面積僅有2.5%。在這里，取代月海而成為主角的是月陸上密集的隕坑和環(huán)形山。太陽系最大的隕坑——南極艾托肯盆地及其周圍的環(huán)形山占據(jù)了月球背面很大一部分地貌，這個隕坑的直徑大約有2500千米，深度達(dá)到了8千米?？傮w看上去，月球背面非常粗糙，不太美觀。

科學(xué)家認(rèn)為，對于月球這種大小的天體來說，許多天文過程對其施加的影響應(yīng)該是兩面均衡的，不應(yīng)該出現(xiàn)兩面差異。比如外來天體的撞擊，在月球的天空中，地球僅僅遮擋了微不足道的一小部分，無法對月球提供保護(hù)，因此月球兩面的隕坑和盆地應(yīng)該是平均分布的。另外，這些盆地形成于小行星或者其他巖石墜入月球的時候，這些撞擊會使月殼變形，火山巖漿將會從盆地地表的裂紋中涌出，不停地淤積到低洼地區(qū)冷卻下來，形成月海。如此推斷的話，南極的艾肯托盆地也應(yīng)該被玄武巖覆蓋，但事實卻并非如此。由此可見，月球的“雙面性”不僅僅是產(chǎn)生地貌差異這么簡單。

為了獲得更多的月球背面信息，21世紀(jì)初，美國宇航局（NASA）重新啟動了已經(jīng)中斷很久的月球勘探任務(wù)，將探測重點放在了月球背面與其正面的區(qū)別上。月球勘測軌道飛行器發(fā)現(xiàn)，月球兩面不僅僅地表形貌不同，其兩面的物質(zhì)成分和月殼厚度也不同。在月球正面，月殼很薄，只有20～30千米，但是這里克里普巖石非常豐富，并且含有大量的能夠發(fā)熱的放射性元素（比如釷），似乎月球內(nèi)部的熔巖冷卻時全都堆積到了正面；在月球背面，月殼雖然很厚，平均可達(dá)60千米，但是物質(zhì)種類較為單一，主要就是斜長巖。

為什么月球會如此不對稱呢？科學(xué)家們發(fā)揮了自己的想象力，他們或者提出了天體碰撞的假設(shè)，或者到月球內(nèi)部尋求答案，所有的猜測，都講述了一段月球早期經(jīng)歷的狂暴歷史。

兩個月球，兩次碰撞

對于月球的起源，科學(xué)界最主流的假設(shè)是1975年提出的碰撞理論。這個理論認(rèn)為，在太陽系早期，與火星同等量級的“忒伊亞”行星撞擊了地球，大量殘骸碎片被拋向環(huán)地球的軌道。這些物質(zhì)聚集起來，迅速降溫冷卻，形成月球。當(dāng)月球冷卻的時候，重的物質(zhì)下沉而輕的物質(zhì)上浮到表面，這一過程被稱為分異作用。終于，鐵質(zhì)內(nèi)核形成了，由內(nèi)向外依次是液態(tài)外核、月幔和月殼。月幔雖已開始結(jié)晶，但是能夠生熱的放射性元素仍然使其保持很高的可塑性。在隨后的幾百萬年內(nèi)，新的小行星撞擊創(chuàng)造了巨大的月球盆地，使月幔裂開，隨后巖漿上涌，熔巖開始覆蓋月球表面。

撞擊理論解釋了為何月球的總體成分接近地球地幔、為何月球富含高熔點物質(zhì)以及地月系統(tǒng)角動量、地月質(zhì)量等問題，但不能解釋月球雙面的差異。于是，科學(xué)家提出了新的假設(shè)，月球背面深厚的月殼來自第二個更小的月球。也就是說，當(dāng)“忒伊亞”撞進(jìn)地球的時候，殘骸碎片形成了兩個月球，一大一小，在數(shù)千萬年之后，又發(fā)生了一次碰撞——兩個月球親密接觸、合二為一。

美國加州大學(xué)的埃里克·艾斯龐用計算機(jī)模擬了當(dāng)時的過程。45億年前，“忒伊亞”撞擊地球，碎屑飛濺，聚集成許多小衛(wèi)星（包括兩個月球），大的月球吸收或者驅(qū)逐了其他衛(wèi)星，只剩下一個直徑1000千米的小月球卡在地球與大月球之間所謂的“拉格朗日點”（在兩個大物體引力的作用下，能夠使小物體穩(wěn)定的點）處。這樣，地球和兩個月球的軌道穩(wěn)定下來，彼此相安無事。然而，地球的潮汐力會不停地將兩個月球向外推，漸漸地，這個三角平衡被打破了，來自太陽的重力開始發(fā)揮作用。小的月球開始偏離拉格朗日點，向大月球靠近，最終撞向大月球。

這一過程發(fā)生得非常緩慢，兩者的相對速度為2.5千米/秒，這樣的速度放在日常生活中是非?？斓?，但如果與小行星的撞擊速度相比卻是非常慢的。這種低速撞擊不會形成環(huán)形山，但能使小的月球粉身碎骨，將背面的月殼增厚。

月球探測器發(fā)現(xiàn)，月球月殼上大都覆蓋了一層多孔而又高度粉碎的碎巖和顆粒，科學(xué)家們稱之為粗風(fēng)化層，在月陸上其厚度在10米到20米之間，在月海中則有3米到5米。當(dāng)小月球碰撞到大月球然后散成碎片的時候最容易產(chǎn)生這種粗風(fēng)化層，所以埃里克·艾斯龐認(rèn)為“兩個月球”的假設(shè)與月球勘測軌道飛行器的觀測結(jié)果是符合的。

高溫的威力

埃里克·艾斯龐的理論是非常引人矚目的，它實際上是一個改良版的月球撞擊起源學(xué)說。但并不是所有科學(xué)家都認(rèn)可“兩個月球”的設(shè)想，一部分科學(xué)家認(rèn)為，正面的極端高溫才是月球形成今日面貌的主要原因。

美國賓夕法尼亞大學(xué)的施坦因·希古拉德森指出，“忒伊亞”與地球的撞擊是非常猛烈的，這必然會加熱我們的地球和月球，但是月球比地球小得多，它冷卻的速度會更快。由于當(dāng)時地球與月球的距離很近（僅為今天距離的1/20到1/10），并且地球非常熱，溫度超過2500℃，這造成了月球正面與背面溫差非常大——正面經(jīng)受著地球的輻射，極度高溫，而背面已經(jīng)在緩緩冷卻。

這種溫差對于月殼的形成起了非常重要的作用。月殼中鋁和鈣的含量很高，這些成分都很難蒸發(fā)。當(dāng)高溫的氣態(tài)物質(zhì)開始冷凝的時候，鋁和鈣會率先析出，毫無疑問，這一過程更容易在溫度較低的背面大氣中發(fā)生。在隨后的數(shù)千萬年時間內(nèi)，這些成分與月球月幔中的硅結(jié)合，形成了斜長巖，進(jìn)而累積成月殼。因此，月球背面的斜長巖會更多，月殼自然會更厚。

溫度不僅僅影響月球月殼的形成，也影響了月球表面隕坑的尺寸?？茖W(xué)家分析了月球探測器帶回的數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，月球正面與背面的撞擊坑數(shù)量實際上是差不多的，但是正面的坑尺寸都比較大。在月球正面有8個直徑超過320千米的盆地，而背面只有一個。而月殼溫度的高低恰好會影響撞擊效果，如果月球正面的溫度比背面月殼溫度高幾百度，那么同等強度的撞擊在正面形成的盆地的規(guī)模將是背面的兩倍。

艾托肯盆地帶來的“大裝修”

月球的撞擊起源學(xué)說并不是所有科學(xué)家的出發(fā)點，美國布朗大學(xué)的彼得·舒爾茨將目光投向了南極的艾托肯盆地，期望在那里找到答案。舒爾茨認(rèn)為，艾托肯盆地是太陽系中最大的撞擊坑之一，而造成了如此大規(guī)模盆地的撞擊，其能量必定足以給月球來一次全面的“大裝修”，所以，月球的“變臉”應(yīng)該與艾托肯盆地的誕生有著密切的聯(lián)系。

他指出，早期的月球應(yīng)該是非常均勻的，它的兩面都很像今天的月球背面。在43億年前，一顆巨大的小行星從側(cè)面撞向了月球南極，撞擊產(chǎn)生的沖擊波橫掃了整個月球，將能量沿著月球內(nèi)部傳遞到了月球的正面，破壞了那里的月殼。在正面，所有的爆裂和震動都將會使巖漿滲出并流向月球表面。即使它們沒有破土而出，也會來到非常接近月球地表的地方，隨后的其他天體撞擊仍會使巖漿流出來，形成月海，將正面改造成今天的樣貌。

關(guān)于雙面月球，科學(xué)家們的意見雖然存在分歧，但各有道理，很難證明誰對誰錯，也許真實情況會是這些假想模型的綜合。為了弄清楚這個問題，我們還需要更多的實地驗證，在將來，新的航天計劃會從月球背面帶回更多的樣本，幫助我們解開雙面月球的謎題。