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为什么月球背面缺少月海?  

2014-06-10 16:58:39|  分类: 仰望星空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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“你看你看月亮的脸,月亮的脸偷偷在改变……”
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动图来自维基百科 

其实,月亮的脸并没有改变。不管阴晴圆缺,它总是用固定的半球朝向地球。在月球正面,有大量的暗区,我们称之为“月海”(maria)。但是月球的背面却极少有月海。为什么月球正面和背面为何会如此不同呢?这个问题被称为“月球背面高地问题”(Lunar Farside Highlands Problem),在1959年首次被提出。那一年,前苏联的月球探测器“月球3号”首次传回了月球背面与正面迥异的照片。

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月球正面和背面 图/NASA


2014年6月9日,美国宾夕法尼亚州立大学的天体物理学家杰森·莱特(Jason Wright)、斯坦因·西古德森(Steinn Sigurdsson)和阿尔皮特·罗伊(Arpita Roy)在《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal Letters)上发表了一篇文章,对这个困扰人们半个世纪的谜,提出了一个新理论。

“我还记得第一次看见月球背面时,我还是一个小男孩,我被月球正面和背面的差别震惊了,”天体物理学副教授杰森·莱特说,“它布满了山地和撞击坑。我不禁追问,月海去哪了呢?这从50年代起,就是一个未解之谜。”

目前已确定的月海有22个,绝大部分分布在正面,背面只有3个。正面的月海面积大于50%。月海的地势一般较低,类似盆地,一般比月球平均水准面低1-2千米,表面覆盖着“月海玄武岩”,并且月面反照率(一种量度反射太阳光本领的物理量)也比较低,因此看起来比较黑。
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月球正面的月海

“月球背面高地问题”
从1959年,前苏联的月球探测器“月球3号”第一次拍下月球背面照片时,人们就被这个“月球背面高地问题”所困扰。

人类首度亲眼看见月球背面是在1968年的阿波罗8号任务,太空人威廉·安德斯的描述如下:“背面看起来像我在孩提时玩过一段时间的沙堆,它们全都被翻起来,没有边界,只是一些碰撞痕和坑洞。”
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前苏联在1959年为纪念拍到月球背面的第一张照片发行的邮票。


回头看,当时的月亮
几位研究者认为,缺少月海,是因为月球正面和背面的月壳厚度不同,这与月球的形成有关。

目前关于月球起源比较统一的观点是,它起源于地球形成后不久,一个火星大小的天体与地球轰然相撞,角度很倾斜,但打击是毁灭性的。月球起源的“大碰撞说”正是基于这个观点,认为地球和天体的外壳都被撞入了太空,最终形成了月球。
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艺术家假想图:一个火星大小的天体与地球相撞

“大碰撞之后,地球和月球都极其炎热,”西古德森说。“地球和撞击的天体并没有立刻熔化,它们的一部分蒸发了,在地球周围形成了一圈由石头、岩浆和蒸汽组成的盘。
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艺术家假想图:地球周围形成了一圈由石头、岩浆和蒸汽组成的盘

“当时,月球和地球在彼此的天空中,都非常巨大,”罗伊说,“月地距离比现在近10到20倍。很快,月球就被潮汐锁定,自转一周的时间等同于绕地球公转一周的时间。从那时起,月球就总是将固定的一面朝向地球。潮汐锁定是由两者的引力所造成的。”
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艺术家假想图

月亮比地球小很多,因此冷却得非常迅速。由于地球和月球一开始就被潮汐锁定,当时还很炎热的地球(高于2500℃),向月球正面辐射着热量。月球背面,由于远离火球一样的地球,慢慢冷却下来了。此时,月球正面依然是一片熔化的火海,这在月球的两个半球之间形成了温度差。
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潮汐锁定  动图来自网络


温度差对月壳的形成至关重要。月球的外壳拥有高浓度的铝元素和钙元素,都是难以蒸发的元素。

“当岩石蒸汽开始冷却,首先降下的就是铝和钙”。西古德森说。

“由于月球正面温度依然很高,因此铝和钙先在月球背面沉积下来。亿万年的时光中,这些元素在月幔中与硅酸盐相结合,形成了斜长石(plagioclase feldspars),之后缓慢上升移动到表面,形成月壳,”罗伊说。“月球背面的月壳拥有更多的这些矿物质,而且厚很多。”
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月球内部结构  图/新华社

月球现在已经完全冷却了,在表面之下也没有熔岩。但在月球形成的早期,天体撞击它的正面,击穿月壳,释放出月壳下的岩浆,汇聚成岩浆湖,这正是今天“月海”的前身,逐渐形成了我们今天看到的“月亮的脸”。然而,当小行星撞击月球背面时,由于月壳太厚,几乎没有熔岩被释放出来,因此只在月球背面形成了山谷、环形山和高地,但是几乎没有月海。

这就是科学家对这个困扰人类55年的“月球背面高地问题”的最新解读。
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作者:A'ndrea Elyse Messer
来源:http://news.psu.edu/
编译:Newton-科学世界
论文地址:http://iopscience.iop.org/2041-8205/788/2/L42/
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