月球正面與背面的巨大差異肇因於劇烈撞擊

月球正面與背面的巨大差異肇因於劇烈撞擊


月球始終面對地球的正面有許多低平的月海盆地,背對地球的背面卻滿佈坑洞,差異甚大。目前有來自月殼的最新證據指出:這個正面與背面的巨大差異是太陽系早期一顆矮行星劇烈撞擊到月球的結果。不過要注意:這個撞擊事件,和撞擊地球導致月球形成的撞擊事件不是同一回事。

從太陽神任務時代首度瞥見月球背面開始,科學家驚訝地發現月球背面居然有著和正面截然不同的地形地貌。天文學家曾提出好幾種假設或理論來解釋月球正面背面的差異。其中一種理論認為是因為地球曾一度擁有兩顆月亮,後來在月球形成極早期合而為一的結果。另一種假說認為可能是顆大型天體,或許是個年輕的矮行星,在繞太陽公轉過程中不幸與月球發生劇烈碰撞的結果。後面這個撞擊假說如為真,則其發生的時間點應在合併月亮說之後,而且發生時月球的固態月殼應該已經形成。這樣劇烈撞擊應該會在現今的月殼結構中留下可供辨認的訊息。

澳門科技大學祝夢華等分析聖杯衛星(全名:重力回溯及內部結構實驗室,Gravity Recovery and Interior Laboratory,簡稱 GRAIL)任務於2012年的測量資料,瞭解更多月球表面至內部的結構細節,包括月殼如何變厚,以及月球背面比正面多了一層物質層。這項發現讓祝夢華等人針對月球早期被撞擊的假說所做的電腦模擬工作有了明確且必須達成的目標。

最後的最佳模擬結果是:造成月球今日不對稱結構的大型天體,直徑約780公里,並以時速22,500公里的速度撞擊月球正面,最可能的撞擊點如下圖中星點所表示的雨海內;這相當於比主小行星帶中最大的天體、矮行星之一的穀神星(Ceres,約950公里)小一些的天體,以流星體落入地球大氣的四分之一速度撞擊月球。另一個也頗符合聖杯衛星觀測資料的模擬結果則是:直徑約720公里的天體,以時速24,500的速度撞擊月球正面。不過不管是上述哪一種模擬,撞擊後都拋出大量物質,後來又落回月表,將月球背面的原始月殼掩埋,這個碎屑層的深度厚達五至十公里左右。這就是聖杯衛星觀測到的月球背面多出的一層結構。不過祝夢華等人認為這個撞擊天體應該不會是地球早期的第二顆月亮,只會是小行星或矮行星,在遭遇月球當時,這顆天體應該還在自己的公轉軌道上。

除了月球結構問題外,這個撞擊模擬同時提供線索可解釋月表和地表裡,鉀、磷和像鎢-182這樣的地球稀有元素同位素含量有差異的現象,因為這些元素應該是來自撞擊天體,在月球形成之後才加入月球物質中,所以當然會和地球不一樣。

【圖:美國地球物理聯盟;文:節錄自台北天文館之網路天文館網頁;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在已經出版的地球物理研究期刊:行星(Journal of Geophysical Research: Planets)。

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