月球南极藏着一个40亿年前的秘密

10月8日发表于《自然》（Nature）的这项研究，生动描绘了月球早期的剧烈历史。它还为月球科学领域一个长期存在的谜团提供了线索：为何月球远侧布满陨石坑，而曾是20世纪60至70年代阿波罗计划着陆点的近侧却相对平坦。

大约43亿年前，太阳系尚处于早期阶段，一颗巨大的小行星撞击了月球远侧。这次剧烈撞击形成了南极-艾特肯盆地（SPA），这是一个巨大的陨石坑，南北长约1200英里，东西宽约1000英里。其细长的椭圆形表明，这颗小行星是以一定角度而非正面撞击的。

通过将SPA与太阳系其他巨型撞击遗址进行对比，安德鲁斯-汉纳的团队发现了一个一致的规律：这些巨大的陨石坑在撞击体飞行的方向上会变窄，形成类似泪滴或牛油果的形状。与早期认为小行星来自南方的假设相反，他们的分析显示SPA盆地向南端逐渐变窄，这意味着小行星很可能来自北方。研究人员确定，南侧（即下靶方向）的边缘应该被从月球深部喷出的厚厚的碎屑层覆盖，而北侧（即上靶方向）的边缘则应较少有这类物质。

他表示：“这意味着阿尔忒弥斯任务将在该盆地的下靶方向边缘着陆——这是研究月球上最大、最古老撞击盆地的最佳地点，那里应该堆积了大部分从月球内部深处喷出的 ejecta（喷射物）。”

更多支持小行星自北向南撞击的证据来自对月球地形、地壳厚度和表面化学的研究。这些线索共同不仅强化了小行星来自北方的观点，还揭示了月球内部结构及其随时间演化的新细节。

科学家们长期认为，早期月球曾完全熔融，形成了全球性的“岩浆洋”。随着冷却，密度较大的矿物下沉形成地幔，而密度较小的矿物上浮形成地壳。然而，有些元素未能整齐地融入这些固态层，而是聚集在熔融物质的最后残余部分中。这些残余成分包括钾、稀土元素和磷——统称为“KREEP”，其中“K”代表钾的化学符号。安德鲁斯-汉纳指出，这些元素在月球近侧异常集中。

他说：“如果你曾把一罐苏打水放在冰箱里，可能会注意到，当水结冰时，高果糖玉米糖浆会抵抗冻结，直到最后才冻结，反而在最后一点液体中变得浓缩。我们认为月球上的KREEP也发生了类似的情况。”

随着数百万年的冷却，岩浆洋逐渐凝固成地壳和地幔。“最终，你会达到这样一个阶段：在地幔和地壳之间只剩下一小部分液体，这就是富含KREEP的物质。”他解释道。

安德鲁斯-汉纳表示：“所有富含KREEP的物质和产热元素都以某种方式集中在月球近侧，导致近侧升温并引发强烈的火山活动，形成了黑暗的火山平原——这就是从地球上看到的熟悉的‘月球脸’。然而，富含KREEP的物质为何最终出现在近侧，以及这些物质如何随时间演化，一直是个谜。”

“月球远侧的地壳比面向地球的近侧厚得多，这种不对称性至今仍让科学家们困惑不已。这种不对称性影响了月球演化的各个方面，包括岩浆洋的最后阶段。”安德鲁斯-汉纳说。

“我们的理论是，随着远侧地壳增厚，下方的岩浆洋被挤向两侧，就像牙膏从管子里被挤出来一样，最终大部分都到了近侧。”他解释道。

对SPA撞击坑的新研究揭示了盆地周围一种显著且出乎意料的不对称性，恰好支持了这一假设：盆地西侧的喷射物覆盖层富含放射性钍，而东侧则没有。这表明，撞击留下的裂口像一扇窗户，正好打开了月球表层，露出了下方残留岩浆洋（富含KREEP）所在的地壳与“普通”地壳的边界。

“我们的研究表明，这些物质的分布和组成与我们对岩浆洋演化最后阶段的模拟预测相符。”安德鲁斯-汉纳说，“月球岩浆洋的最后残余物最终到了近侧，那里的放射性元素浓度最高。但在更早的某个时期，远侧部分区域下方曾存在一层薄而零散的岩浆洋，这解释了SPA撞击盆地一侧的放射性喷射物。”

围绕月球早期历史的许多谜团仍未解开，一旦宇航员将样本带回地球，研究人员希望能找到更多解开谜题的线索。安德鲁斯-汉纳表示，轨道航天器（如本研究中使用的）收集的遥感数据让研究人员对月球表面的成分有了基本了解。钍是富含KREEP物质中的重要元素，很容易被探测到，但要对成分进行更详细的分析则难度更大。

“这些样本将由世界各地的科学家进行分析，包括亚利桑那大学——我们这里有专门为此类分析设计的最先进设施。”他说。

“有了阿尔忒弥斯任务，我们将能在地球上研究样本，并且确切知道它们是什么。”他表示，“我们的研究表明，这些样本可能比想象中更能揭示月球的早期演化。”