科学家可能终于解开了月球“阴阳脸”之谜

研究人员分析了三类月球岩石——斜长岩、镁质系列岩石和月海玄武岩——的化学成分，并把嫦娥六号从月球背面带回的样品，与阿波罗计划和嫦娥五号从月球正面带回的材料进行了比较。研究认为，月球正反面如此不同，可能是在月球与地球形成潮汐锁定之后，古老的月球岩浆洋发生了大规模、由热量驱动的环流造成的。
月球朝向地球的一面有大量暗色玄武岩平原，钾、稀土元素和磷含量较高；背向地球的一面则主要是古老、陨石坑密集的高地，月壳更厚，火山平原很少。过去几十年，科学家提出过多种解释，包括月球最初岩浆洋的环流方式不同、一次大型撞击、引力潮汐加热，以及月壳发育不均，但都没有被普遍接受。另一个关键问题是：月球内部更深的月幔是否也像表面和月壳那样存在明显差异。
2024年，嫦娥六号首次带回月球背面样品，使科学家第一次能直接比较两个半月的岩石。分析发现，尽管表面差异很大，月球深部却存在重要相似性：嫦娥六号采集的玄武岩具有源自亏损月幔的化学特征，与阿波罗宇航员带回的低钛玄武岩相似。这说明月球岩浆洋结晶时形成的月幔堆晶物，在正面和背面之间并没有明显成分差异。
研究人员在镁质系列岩石中也找到支持。镁质系列岩石是月壳与月幔相互作用形成的，其中镁指数可反映来源月幔材料的成分。嫦娥六号和阿波罗的镁质系列样品镁指数相近，因此月幔堆晶物在正面和背面具有大体相似的化学特征。换句话说，月球最初岩浆洋中结晶出来的材料，并没有在正面和背面之间形成明显分界。
然而，月壳记录的是另一种故事。虽然月幔成分相对均匀，月壳却差异显著。嫦娥六号带回的斜长岩峰值镁指数高于类似的阿波罗样品，表明月球背面月壳含有更多富镁材料，这与此前遥感观测结果一致。此外，嫦娥六号的镁质系列岩石稀土元素含量极低，钍和钐比值也低于阿波罗样品。对此有两种可能解释：要么背面形成的镁质系列岩浆很少受到富含钾、稀土和磷的KREEP物质影响；要么这些物质所在的层在月球上发育不均，使两个半月的化学成分不同。
综合这些证据，研究人员提出一个模型，解释月球如何获得两张截然不同的面孔。他们认为，月球早期岩浆洋一开始以较均匀的方式冷却和结晶，形成了最初月幔堆晶物和斜长岩月壳，这发生在月球被潮汐锁定之前。之后，月球进入总是用同一面朝向地球的轨道。那时地球和月球距离更近，潮汐力在月球正面产生的热量多于背面。
这种不均匀加热使月球熔融内部出现温度差，进而引发大规模水平环流。高温岩浆从正面流向背面，并把已经形成的富镁斜长岩材料一起带走。时间推移下，背面因此堆积了更多月壳材料，这有助于解释为什么背面月壳更厚、镁含量更高。与此同时，残余熔体更倾向于流向正面。结果，背面只有相对薄层富集KREEP和含钛铁矿堆晶物，而更多这类晚期形成物质集中在正面。
该热驱动岩浆环流模型为月幔化学成分相似、月壳差异巨大提供了一种解释。通过把新分析的嫦娥六号样品与月球早期热历史联系起来，这项研究为理解地球最近的天邻居如何演化提供了新视角。