数十亿年前，月球“翻转”时发生了什么？

“我们第一次有物理证据向我们展示了月球内部在其演化的这个关键阶段发生了什么，这真的很令人兴奋。”

42 亿年前，月球发生了翻天覆地的变化，形成了人类所熟悉的月球表面。

大多数科学家都同意月球是在大约 45 亿年前形成的，当时太阳系中的另一个巨大天体撞击了地球，将熔融物质抛入太空，这些物质凝聚成我们的天然卫星。

然而，亚利桑那大学月球与行星实验室 (LPL) 的一组科学家将这次暴力开始后月球的诞生过程描述为“更像是一本选择你自己的冒险小说”。

他们说，地球的天然卫星可能采取多种可能的路径来完整形成，最终形成我们今天看到的月球-地球系统。当然，该团队对于可能形成月球的主要事件有自己的想法。例如，研究人员表示，在阿波罗任务期间收集的岩石样本可能表明月球曾经“翻转”过一段时间。

如果这一结果属实，也可能解开有关月球成分的一个挥之不去的谜团。

研究合著者、LPL 副教授杰夫·安德鲁斯·汉纳 (Jeff Andrews-Hanna) 在一份声明中表示：“我们的月球确实把自己翻了个底朝天。” “但几乎没有任何物证可以阐明月球历史这一关键阶段事件的确切顺序，而且对于所发生的事情的细节，从字面上看，存在很多分歧。”

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月球近侧有钛吗？

从月球带回的玄武岩熔岩显示出令人惊讶的高浓度钛。除此之外，卫星观测表明，富含钛的火山岩主要位于月球近侧。这让科学家们摸不着头脑，不知道这些特殊的岩石是如何到达那里的，并且没有更广泛地分布。

亚利桑那大学的研究小组认为，月球形成得很快，起初它完全被炽热的岩浆海洋覆盖。随着海洋冷却和硬化，它会形成月球的外层，包括地幔和地壳。然而，在较低层，婴儿月亮仍然处于混乱之中。

月球形成模型表明，这个巨大的月球海洋的最后遗迹结晶成致密材料，包括钛铁矿（一种富含铁和钛的矿物）。

研究负责人、前 LPL 博士生梁伟刚表示：“由于这些重矿物比下面的地幔密度更大，它们会产生重力不稳定，你会预计这一层会更深地沉入月球内部。”

问题仍然存在：在月球凝固后，这种物质会作为一个“斑点”立即全部下沉，还是作为较小的斑点一次下沉？而且，如果它在全球范围内沉入月球内部，那么其中一些是如何上升并将钛带到月球近侧的呢？

“没有证据，你可以选择你最喜欢的模型，”研究人员共同主要作者、德国航空航天中心科学家阿德里安·布罗奎特 (Adrien Broquet) 在声明中表示。 “每个模型都对月球的地质演化具有深远的影响。”

合著者、北京大学科学家张楠此前开发的模型表明，对月球的巨大撞击可能导致地壳下方致密的富钛物质层向其近侧移动。一旦到达那里，这种物质就会下沉，形成片状板片并落入月球内部，在地壳下留下残留物，以致密的富钛沉积物的交叉体的形式存在。

“当我们看到这些模型预测时，就像灯泡亮了一样，”安德鲁斯-汉纳说。 “当我们观察月球重力场的微妙变化时，我们看到了完全相同的模式，揭示了潜伏在地壳下方的致密物质网络。”

月球形成模型的圣杯

为了巩固其富钛钛铁矿材料的熔融理论和对月球的观测，该团队转向了美国宇航局重力恢复和内部实验室（GRAIL）双航天器任务检测到的有关月球重力异常的数据。

布罗克说：“分析月球重力场的这些变化使我们能够窥视月球表面，看看下面有什么。”

这证实了 GRAIL 数据与钛铁矿层模拟相符。

这样的证实还表明，重力场观测可用于追踪大部分致密层沉入月球内部深处后留下的钛铁矿残余物的分布。

“我们的分析表明，模型和数据讲述了一个非常一致的故事，”梁说。 “钛铁矿材料迁移到近侧，并以片状瀑布的形式沉入内部，留下了导致月球重力场异常的痕迹，正如 GRAIL 所看到的那样。”

该团队还能够确定月球何时翻转。他们说，大型和古老的月球撞击盆地对重力异常的中断表明富含钛铁矿的层在这些撞击之前下沉。这种“交叉”意味着下沉事件发生的时间早于 42.2 亿年前，这表明下沉可能引发了火山活动，后来在月球表面出现了火山活动。

这项研究还为我们今天看到的有趣的月球图片增添了细微差别。数十亿年前，月球地幔的翻转会导致形成一个被称为“Oceanus Procellarum”区域的黑暗区域，以及靠近地球的月球一侧。

月球的这个区域海拔较低，地壳较薄，大部分被熔岩流覆盖，与月球远端区域较厚的地壳不同。它还含有较高浓度的钛和钍等稀有元素。 “月球在各个方面基本上都是不平衡的，”安德鲁斯-汉纳说。 “我们第一次有物理证据向我们展示了月球内部在其演化的这个关键阶段发生了什么，这真的很令人兴奋。

“事实证明，月球最早的历史是写在地表以下的，只需正确组合模型和数据就可以揭开这个故事。”

布罗奎特补充道：“早期月球演化的遗迹如今就存在于地壳下方，这令人着迷。

“未来的任务，例如地震网络，将有助于更好地研究这些结构的几何形状。”

如果 2025 年 NASA 的阿耳忒弥斯 III 任务自 50 年前阿波罗任务结束以来首次将人类送回月球，这些发现还可以帮助为未来对我们忠实的月球伙伴的调查提供信息。

“当阿耳忒弥斯宇航员最终登陆月球，开始人类探索的新时代时，”梁总结道。 “与阿波罗宇航员第一次踏上邻居时相比，我们对邻居的了解将会截然不同。”

该团队的研究发表在《自然地球科学》杂志上。

最初发布于Space.com。