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    月球的起源与演化及人类探索月球史

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      摘要:月球,离地球最近的地外天体,自古以来就受到东西方文明的敬仰,并且也融入到了东西方的文化精髓中。但人们对月球的理解一直存在很大的问题,直到20世纪60年代末才有第一批人类宇航员登陆。阿波罗11号的登月,不仅改变了人们对月球起源和演化的认识,而且开启了人类探索地外世界的新篇章。从那以后,美国和苏联等国家就先后开始了对月球的探索研究工作,从开始的无人探测器绕月飞行,再到载人航天器的登月,随着人类文明科学技术的进步,探索月球的技术也在不断改进,这也促进了人们对月球起源及其演化过程新的认识。现在,月球是人类对自身行星系统起源认识的新窗口。未来,月球也将会成为人类迈向深空的新起点。

      关键词:月球起源、大碰撞假说、合星模型、行星演化、探索月球

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      ●人类探索月球的历史

      在20世纪50年代以前,人们研究月球的方式还停留在使用望远镜进行远距离观测,这导致人们对月球的起源与演化的认知还停留在相当朴素的水平。后来从1958年开始,美国和苏联开始向月球发射航天器,人们通过宇航的方式来研究月球的序幕被正式拉开。从一开始的撞击月球到后来的绕月飞行,再到后来无人探测器着陆月球,随着人类科学技术的进步,探索月球的方式也在逐步改进。直到1969年7月20日,美国也是全人类首艘载人航天器阿波罗11号的登月舱成功实现了着陆月球的计划,并开始了对月球土壤样本的采集。

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      这次行动就像任务指令长阿姆斯特朗所说的那样,“这是我个人的一小步,也是全人类的一大步”,自此正式开启了人类探索月球的新时代。随着后续的载人登月任务的陆续实施与完成,人类收集到了越来越多的月球土壤样本。通过对这些样本的分析研究,月球的身世之谜也将逐渐浮出水面。

      再后来,除了美国和苏联以外,中国、日本、欧洲、印度和以色列也开启了对月球发射航天器的探月任务,未来,将会有更多更加先进的设备投入对月球的研究工作中,随着人们对月球的深入研究,关于月球起源、地月行星系统的演化以及其未来变化趋势的问题的答案将会逐渐清晰明确。

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      ●对月球起源及其演化史的研究工作

      通过对月球的土壤和岩石样本进行研究,根据样本中同位素的组成,科学家们发现这些样本的年龄在30亿到45亿年之间。随后,通过对月球上不同地点撞击坑数量和月岩年龄的关联研究,就可以通过统计观测区域的撞击坑数量来预估该地区的月岩年龄。通过后续的多次实验,目前在月球上收集到的最古老的样品的年龄和月球本身的年龄大约为45亿年。

      在阿波罗计划以前,有许多关于月球起源的假说,例如:1、月球是地球引力所捕获的小星体;2、月球是早期地球高速自转所甩出去的一部分;3、地球和月球是同时诞生于太阳系里的“原行星盘”等等。目前最受学术界欢迎的假说是大碰撞假说。

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      大碰撞假说

      该假说认为,大约在45亿年前,一颗与火星差不多大的星体撞击了地球,导致自身碎裂并使部分地壳和地幔被喷射到太空中。这颗假想中的行星被称为“忒伊亚”(Theia)。最终,被喷射的物质和忒伊亚的残余物混合在一起,聚合成了一颗星体,在冷却后形成了今天的月球。

      该假说除了有月球岩石样品的证据以外,还有以下证据:

      1、月球相比其他的行星,其内核体积非常小,仅占总半径的25%,这意味着月球内核缺少铁质;

      2、月球样本非常干燥,几乎没有挥发质,如水、二氧化碳、氮和氢这类易于挥发的低沸点元素或分子;

      3、从月球高地(表面明亮的高地势地区,与之相对的是表面黑暗并且向下沉的月海地区)采集的月岩样本中含有大量的斜长石矿物(在熔融的月球冷却过程中,斜长石较轻,能够漂浮在顶部),这说明早期月球表面是覆盖了一层岩浆海。

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      但该假说也受到了一些实验及其证据的挑战,例如在2001年和2012年,研究人员使用了一种叫做“激光氟化”的方法,发现钛和氧的同位素组分在地球和月球中几乎是相同的。这就意味着月球上拥有和地球上相同的物质成分与元素构成,并且月球不仅仅是忒伊亚和地球的混合物,地球上(包括深处)也混有了大量的忒伊亚的成分,而大碰撞假说认为忒伊亚是在与地球不同轨道位置形成的大小类似火星的星体,两者的物质组成是存在很大不同的,显然大碰撞假说不能解释这一点。

      该问题也是近几十年来大碰撞假说所面临的最大挑战,现在,最新的发现认为,很多大碰撞发生后并没有形成一颗被碎屑盘包围的行星,甚至根就不会形成行星,而是产生一种被称为“合星”的全新天体,是一种介于行星和星盘之间的混合体,该理论可以解释月球上的很多特征。

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      “合星”假说

      该假说认为,在大碰撞发生后,撞击产生的热量会使整个早起地球的温度猛烈上升,同时碰撞产生的碎片则在早期地球周围形成一个星盘,随着地球内部地幔逐渐被加热,当到了一定的高温时,组成地球的岩石就会被气化,整个地球不再拥有固体表面,而是拥有一大团岩石蒸气,就像气态巨行星那样。随着这一过程,地球的体积也会越来越大,逐渐膨胀的星体与其形成的行星盘物质发声接壤。随着星体体积的变大,当其赤道半径增大到一定程度以至于其表面速度达到并超过该星体的第一宇宙速度时(即表面物质离心力大于其所受引力时),物质就会离开行星赤道进入环绕行星的轨道。行星就变成了另一种形态,不再是椭球体,其内部星体旋转速度要比外部轨道上的物质旋转速度快,科学家们称之为“合星”。

      通过计算机程序对这一过程进行模拟,科学家们验证了这一假说的可能性,但要想证实这一假说,还需要更多的实验和观测证据。

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      ●月球的起源和演化历程

      大约45亿年前,一颗与火星大小相似名为“忒伊亚”的星体与表面熔岩尚未冷却凝固的原始地球以一定的角度和动量发生了碰撞,碰撞使得两颗星体发生了融合并产生了大量的环绕新型体旋转的碎片,这次撞击不仅决定了地球的自转方向、速度和黄赤交角,也决定了日后月球环绕地球的运行轨道(与黄道面也存在一定夹角),还逐渐形成了一个地月“合星”。随着合星逐渐向空间辐射并释放热量,环绕“合星”轨道上的固态岩石和金属物质会在万有引力的作用下逐渐聚集形成月球核心,岩石蒸气会逐渐液化并以“降雨”的形式落入月球表面形成月球表面。随着“合星”温度的逐渐冷却降低,其外部边界会逐渐向内收缩,数十年后,当其外部边界收缩至使月球脱离“合星”时,月球就成为了一颗环绕地球的卫星。

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      至于为什么月球上缺少挥发性元素,其原因是由于月球形成于早期地月“合星”内部,相比新生的月球雏形,地球部分的引力要大得多,这才导致了相比月球,挥发性元素更多地聚集并落入了地球部分,导致了月球上的挥发元素远比地球上的要少。

      至于地球的自转和黄赤交角,以及月球的绕行轨道与黄道面的夹角,是由于大碰撞是发生在地球的一侧,产生的冲击是地球的自转轴不在与黄道面垂直,由于月球诞生于地球赤道面,故月球绕行地球的轨道也与黄道面存在夹角。后来,在太阳的共振作用下,黄赤交角逐渐变成了现在的23°。在此过程中,地球会逐渐远离太阳降低公转速度,地月之间的潮汐作用也会使月球逐渐减速远离地球并使地球自转减速。

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      结语

      阿波罗计划及以后的所有探月计划,不仅改变了人们以往对月球朴素的认识,而且还推动了人类探索地外世界的进程。现在,人类已经有了解释月球起源和演化的“合星”学说,随着仪器设备的不断进步,科学家们就有机会获得更多更加准确详实的数据。

      未来,人类将会发展出更加先进的探月技术,以获取月球更深的月幔样本,结合更加先进的地球深部探测技术所获得的地幔深层物质数据(其中包含大碰撞中幸存的一些重要物质的信息),科学家们就能更好地还原当时地月“合星”。

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      并且,通过对深空的观测,科学家们也可能会发现在太阳系外的其它星系中正在形成的行星,其中就有可能发现新生的正处于大碰撞阶段的天体,这样就有机会在这些观测目标中发现“合星”,从而更好地验证这一学说。

      在阿波罗计划彻底改变了人们对太阳系的看法的同时,我们也要注意到,1972年阿波罗17号任务以后,再也没有任何宇航员登上过任何地外天体了。虽然人类还有许多其它问题需要解决,但是探索深空并非是对资源的无端浪费,而是在人类为争夺地球上极其有限的资源而冲突不断的时候,为人类打开一个通往更大世界和更多可能的大门,推动人类文明迈向新的时代。

      月球的起源与演化及人类探索月球史

      全文终


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