月亮是如何把自己翻过来的

大约 45 亿年前，一颗小行星撞上了年轻的地球，将熔融的岩石抛向太空。慢慢地，碎片凝聚、冷却和凝固，形成了我们的月球。地球月球如何形成的这种情景是大多数科学家基本同意的。但亚利桑那大学月球与行星实验室的研究人员在《自然地球科学》杂志上发表了一篇论文，他们表示，究竟是如何发生的细节“更像是一部选择自己的冒险小说”。这些发现为月球内部的演化提供了重要的见解，并可能为地球或火星等行星提供重要见解。

关于月球起源的大部分知识来自对50多年前阿波罗宇航员收集的岩石样本的分析，并结合理论模型。从月球带回的玄武岩熔岩样本显示出惊人的高浓度钛。后来的卫星观测发现，这些富含钛的火山岩主要位于月球的近侧，但直到现在，它们如何以及为什么到达那里仍然是一个谜。

由于月球形成得又快又热，它很可能被全球岩浆海洋覆盖。随着熔融的岩石逐渐冷却和凝固，它形成了月球的地幔和我们在夜间仰望满月时看到的明亮地壳。但在地表以下更深处，年轻的月亮完全失去了平衡。模型表明，岩浆海洋的最后渣滓结晶成致密的矿物，包括钛铁矿，一种含有钛和铁的矿物。

“因为这些重矿物比下面的地幔更致密，所以它会产生引力不稳定性，你会期望这一层会更深地沉入月球内部，”梁伟刚说，他领导了这项研究，这是他在LPL的博士工作的一部分。

不知何故，在随后的几千年里，这种致密的物质确实沉入了内部，与地幔混合，融化并返回地表，成为我们今天在地表看到的富含钛的熔岩流。

“我们的月球真的把自己翻了个底朝天，”合著者、LPL副教授杰夫·安德鲁斯-汉纳（Jeff Andrews-Hanna）说。“但是，在月球历史的这个关键阶段，几乎没有物理证据可以阐明事件的确切顺序，而且在坠落的细节上存在很多分歧 - 从字面上看。

这种物质是在月球完全凝固后一次下沉的，还是在月球完全凝固后一下子下沉的？它是全盘下沉到内部，然后在近侧上升，还是迁移到近侧然后下沉？它是沉入一个大斑点，还是几个较小的斑点？

“没有证据，你可以选择你最喜欢的模特。每个模型都对我们月球的地质演化具有深远的影响，“柏林德国航空航天中心的共同主要作者Adrien Broquet说，他在LPL担任博士后研究员期间进行了这项工作。

在之前的一项研究中，由北京大学的张楠领导，他也是最新论文的合著者，模型预测地壳下方致密的富钛物质层首先迁移到月球的近侧，可能是由远端的巨大撞击引发的，然后沉入内部的片状板网络中。 几乎像瀑布一样倾泻到月球内部。但是，当这种物质下沉时，它留下了一小块残余物，其几何图案由地壳下方致密的富含钛的物质组成的线性体相交。

“当我们看到这些模型预测时，就像一个灯泡亮了，”安德鲁斯-汉纳说，“因为当我们观察月球重力场的细微变化时，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。

在这项新研究中，作者将富含钛铁矿的下沉层的模拟与美国宇航局GRAIL任务探测到的一组线性重力异常进行了比较，该任务的两艘航天器在2011年至2012年期间绕月球运行，测量了其引力的微小变化。这些线性异常围绕着月球近侧一个巨大的黑暗区域，被被称为mare（拉丁语为“海”）的火山流覆盖。

作者发现，GRAIL任务测量的重力特征与钛铁矿层模拟一致，并且重力场可用于绘制大部分致密层下沉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遗迹，正如GRAIL所看到的那样。

该团队的观测也限制了这一事件的时间：线性重力异常被近侧最大和最古老的撞击盆地打断，因此必须更早形成。基于这些横切关系，作者认为富含钛铁矿的地层在42.2亿年前沉没，这与它促成后来在月球表面看到的火山活动一致。

“分析月球重力场的这些变化使我们能够窥视月球表面，看看下面是什么，”Broquet说，他与Liang合作表明，月球引力场的异常与月球翻转的计算机模拟模型预测的致密富钛物质区域的预期相匹配。

不平衡的月亮

虽然对月球重力异常的探测为月球内部致密层的下沉提供了证据，并允许更精确地估计这一事件的发生方式和时间，但我们在月球表面看到的东西为这个故事增添了更多的阴谋。

“月球在各个方面都是不平衡的，”安德鲁斯-汉纳说，并解释说，面向地球的近侧，特别是被称为Oceanus Procellarum地区的黑暗区域，海拔较低，地壳较薄，大部分被熔岩流覆盖，并且具有高浓度的典型稀有元素，如钛和钍。远端在这些方面都有所不同。不知何故，月球地幔的翻转被认为与近侧Procellarum地区的独特结构和历史有关。但这一推翻的细节一直是科学家之间争论不休的问题。

“我们的工作将月球内部结构的地球物理证据与其演化的计算机模型联系起来，”梁补充道。

“我们第一次有物理证据向我们展示了月球内部在月球演化的这个关键阶段发生了什么，这真的很令人兴奋，”安德鲁斯 - 汉娜说。“事实证明，月球最早的历史写在地表以下，只需要模型和数据的正确组合来揭开这个故事。

“早期月球演化的遗迹存在于今天的地壳下方，这令人着迷，”布罗凯说。“未来的任务，例如地震网络，将允许更好地研究这些结构的几何形状。

梁补充说：“当阿尔忒弥斯宇航员最终登陆月球，开启人类探索的新时代时，我们将对邻居的理解与阿波罗宇航员首次踏上月球时截然不同。