月球如何变成了内外翻转

大约45亿年前，一颗小行星撞击了年轻的地球，将熔融岩石抛入太空。这些碎片慢慢聚集、冷却并凝固，形成了我们的月球。这是大多数科学家普遍认可的月球形成方式。但如何具体发生的细节则像是“一个任你选择的冒险小说”，根据亚利桑那大学月球和行星实验室的研究人员在《自然地球科学》杂志上发表的一篇论文。这些发现为月球内部的演变提供了重要见解，并可能对地球或火星等行星产生影响。

关于月球起源的大部分信息来自对岩石样本的分析，这些样本是50多年前阿波罗宇航员收集的，结合了理论模型。从月球带回的玄武岩岩石样本显示出惊人的高钛含量。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，但它们是如何到达那里的以及原因仍然是个谜--直到现在。

由于月球形成迅速且温度很高，它很可能被全球性的岩浆海所覆盖。随着熔融岩逐渐冷却并凝固，它形成了月球的地幔和我们在夜晚看到的明亮壳层。但在表面以下更深处，年轻的月球非常不平衡。模型表明，岩浆海最后残留的部分结晶成了包含钛和铁的致密矿物，例如钛铁矿。

“因为这些重矿物比地幔更密，它会产生重力不稳定性，你会预期这一层会沉入月球的内部更深处” 领导研究工作的Weigang Liang 在他在LPL的博士研究中表示。

在随后的千年中，这种致密材料在内部沉入，与地幔混合，融化，并返回到我们今天在表面上看到的富含钛的岩浆流。

“我们的月球实际上把自己变得内外颠倒了” 共同作者、LPL副教授Jeff Andrews-Hanna 表示。“但在这一关键阶段的确切事件序列方面，很少有物理证据能够阐明，而在这个过程的细节上存在很多分歧—字面意思上。”

这种材料是逐渐形成并沉入内部，还是在月球完全凝固后一次性沉入的？它是全球沉入内部然后在近侧升起，还是先迁移到近侧然后沉入？它是一次性沉入内部形成一个大块，还是形成几个较小的块？

“没有证据，你可以选择你喜欢的模型。每个模型都对我们的月球地质演化具有深远的影响。”德国航天中心柏林分部的联合第一作者Adrien Broquet表示。

在之前的一项由北京大学的Nan Zhang领导的研究中，他也是最新一篇论文的共同作者，模型预测，富含钛的致密层首先迁移到了月球的近侧，可能是由远侧的一次巨大撞击引发的，然后以板块状的级联方式沉入内部，几乎就像瀑布一样。但当这些材料沉入时，在密集的钛丰富的材料下面留下了一个小的残余，呈现出一种几何图案。

Andrews-Hanna表示：“当我们看到这些模型预测时，就像灯泡一样亮了，因为我们在观察月球的重力场时，发现了完全相同的图案，揭示了一系列致密材料隐藏在壳层下。”

在新研究中，作者们比较了沉降的钛铁矿层的模拟和美国宇航局的GRAIL任务检测到的一组线性重力异常。GRAIL任务的两艘航天器在2011年至2012年间绕月飞行，测量其引力微小变化。这些线性异常环绕着月球近侧的一个巨大黑暗区域，被称为“海”（拉丁语“sea”）。

作者发现，GRAIL任务测量的重力特征与钛铁矿层模拟一致，并且重力场可以用来描绘沉积了大部分致密层的钛铁矿残余的分布。

我们的分析表明，模型和数据讲述了一个非常一致的故事，Liang表示，“钛铁矿材料迁移到了近侧并以板块状的方式沉入内部，留下了在月球重力场中引起异常的残余，正如GRAIL任务所观察到的”。

团队的观察还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所中断，因此必须早于形成。根据这些相互交叉的关系，作者建议钛铁矿层在42.2亿年前之前沉降，这与后来在月球表面上看到的火山活动是一致的。

“分析月球重力场的这些变化使我们能够窥视月球表面下的情况，看到了其中的内容”Broquet表示，他与Liang一起展示月球重力场中的异常与计算机模拟的月球颠覆区域的预期匹配。

虽然发现月球的重力异常证实了月球内部有一层致密层沉降，可以更精确地估计这一事件发生的方式和时间，但研究团队表示，月球表面所展现的更多内容更增添了这个故事的神秘性。

“月球在各个方面基本上都是不对称的”Andrews-Hanna解释说，面向地球的近侧，特别是被称为Procellarum洋的黑暗区域，海拔较低，地壳较薄，大部分被熔岩覆盖，并且富含通常稀有的元素，如钛和钍。远侧在这些方面有所不同。月球地幔的翻转被认为与近侧Procellarum区域的独特结构和历史有关。但这种翻转的细节一直是科学家们争论的焦点。

Liang补充说：“我们的工作连接了月球内部结构的地球物理证据和其演化的计算机模型。”

Andrews-Hanna表示：“我们第一次有了物理证据，告诉我们月球在这一关键阶段的内部发生了什么，这真的很令人兴奋。”