登月50餘載 3大謎團仍待解:起源、磁場、地月距離

月球是距離我們最近的天體,近到在月球表面留下人類的腳印。從仰望月球開始,人們便對其開展了持續研究,許多關於月球的特性都已被我們所掌握。

1969年7月20日,阿波羅11 號登月艙成功登陸月球。(圖源:NASA)

1969年7月20日,阿波羅11 號登月艙成功登陸月球。(圖源:NASA)

然而,這個“近鄰”仍留有許多謎團,有待我們去探尋。月球是如何誕生的?它的年齡幾何?月球磁場為何消失?地月距離又為何逐漸變遠?對於這些問題的研究,不僅能夠幫助我們瞭解月球本身,更能借此去探求宇宙更多的奧秘。

3大謎團引人關注
月球從何而來?中國科學院國家天文台研究員、嫦娥四號月球低頻射電探測儀中方首席專家平勁松表示,目前關於月球起源主要有4種假說,即分裂說、同源說、俘獲說和大撞擊起源說。“這4個假說在地月成分與自轉速度的差異、氧及其他同位素組成的相似性等方面,仍存在許多難以自圓其說的缺點。”他表示。

其中,大撞擊起源假說面對的質疑相對較少。這是因為,20世紀60年代,美國阿波羅計劃和蘇聯月球計劃帶回來的月球岩石中,所含的氧同位素組成比例與地球地幔幾乎完全一樣。並且,科學家發現月球岩石樣品幾乎不含揮發性元素和輕元素。研究人員認為,這是因為撞擊產生的極端高溫將這些元素氣化導致它們逃逸。“然而,兩個完全分異的固體行星碰撞並重新彙聚的現象,無法解釋月球表面或樣品中為何存在顯著未分異且存在了53億年的古老岩石。”平勁松研究員表示,沒有一個假說是完整的。

另一個吸引人的謎團則關乎月球磁場。對月球岩石的分析證明,月球曾有強大的磁場。根據此前判斷,月球內部存在鐵鎳或硫化鐵鎳核心,早期演化產生發電機機制進而形成整體磁場。

有研究者認為,月球的首次發電機效應可能在40億年前產生了強大的磁場。過去數10年的探測發現,當今月球整個月面的平均磁場強度小於0.2微特斯拉,表明目前的月球要麼不存在全球分佈的磁場,要麼僅存在一個極端微弱的全球磁場。還有研究者認為,大約10億年前,月球內部發動機 月核結晶停止工作,導致月球磁場逐漸消失,迅速下降至0.1微特斯拉。所以,月球的磁場究竟在何時因何故誕生?為什麼現在幾乎消失了?這些依然是未解之謎。

月球正在遠離地球嗎?這是月球令人費解的又一謎團。月球與地球的平均距離約38萬公里,據觀測,月球正以每年約3.8釐米的速度遠離地球。自1970年以來,地月平均距離增長了約1.9米。

對此,有一種解釋說,月球繞地球轉動的角速度比地球自轉角速度慢,加上太陽引力作用,地球和月球上就存在引力分佈不均衡和時間變化,進而引發固體潮汐現象,導致地球自轉速度減慢和月球公轉速度加快。另外,地月系統的能量和角動量守恆,導致地球自轉速度減小的角動量和能力轉移到月球,其中月球公轉增加的一部分動能轉化為勢能,使月球逐漸遠離地球。

揭秘還需提升探測技術
如何破解上述謎團?平勁松研究員認為,從探測技術上看,需要在月面,特別是月球的極區設置新類型長期工作的月震儀、地月之間的鐳射和微波測距設備、深入到月面之下可穿透月壤層的熱流計、高靈敏度磁強計等。

“類似對地球的監測,上述設備應在月面多處佈設組成網路,進行整體監測;同時,還需具備高/低軌道衛星衛星鏈路的高精度重力、磁場立體觀測能力。”平勁松研究員表示,使用這些新技術手段能獲得包括月震、月球全球的長波長重力和磁場,以及月球軌道運動和轉動變化的高精度測量,從而為現有理論、假說提供修正或重建的依據。

平勁松研究員表示,部署上述觀測技術有助於獲得月球深部分層結構的詳細資訊,比如月核鐵鎳含量,內核是否存在、大小如何、是否是完全晶體固體狀態,外核以及外核與月幔邊界帶耦合狀態如何,內部熱能及其來源,全球磁場背景狀態。然後再基於這些資訊推測月球內核結晶化年代和磁場消失情況,基於內核物質狀態、總量推測月球形成機理,以及精細把握月球遠離地球的狀況和產生機理。

“揭開月球起源之謎,對研究和揭示系外行星系統的雙行星、特別是宜居帶雙固體行星的形成演化,有重要借鑒意義;解釋月球磁場消失之謎,有助於理解全球磁場消失的其他類地行星的演化,不排除太陽系固體行星磁場快速消失的普遍現象是行星演化的常態,而地球是個極端特例。另外,尋找系外宜居行星很可能需要增加固有磁場這個強約束。”平勁松研究員強調。
 
從目前來看,月球遠離地球的速度非常慢,不會對地月系統演化和人類社會存在帶來顯著負面影響。不過,精確測量和把握月球的遠離速度,可以用於人類社會活動的高精度測量參考,甚至為超低頻率空間引力波探測提供支援◆

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