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Jun. 21 2019

在月球背面發現神秘的巨大質量異常區

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  • 這張影像是根據美國航太總署(NASA)月球勘測軌道飛行器(Lunar Reconnaissance Orbiter,LRO)的數據所繪製,顯示出月球背面坑坑疤疤的樣子。藍色陰影處的南極-艾托肯盆地(South Pole-Aitken basin)是太陽系中已知最古老也最大的撞擊盆地,寬度約2500公里。PHOTOGRAPH BY NASA/GODDARD

  • 這張偽色影像是月球背面的地形圖,較暖的色調顯示海拔較高的區域,而較冷的色調則顯示海拔較低的區域。虛線圓圈表示南極-艾托肯盆地下方的質量異常區域。IMAGE BY NASA/GODDARD SPACE FLIGHT CENTER/UNIVERSITY OF ARIZONA

這項巨大的發現有望幫助科學家更了解,包括地球在內的岩質天體究竟是如何形成。

這張影像是根據美國航太總署(NASA)月球勘測軌道飛行器(Lunar Reconnaissance Orbiter,LRO)的數據所繪製,顯示出月球背面坑坑疤疤的樣子。藍色陰影處的南極-艾托肯盆地(South Pole-Aitken basin)是太陽系中已知最古老也最大的撞擊盆地,寬度約2500公里。PHOTOGRAPH BY NASA/GODDARD

這張影像是根據美國航太總署(NASA)月球勘測軌道飛行器(Lunar Reconnaissance Orbiter,LRO)的數據所繪製,顯示出月球背面坑坑疤疤的樣子。藍色陰影處的南極-艾托肯盆地(South Pole-Aitken basin)是太陽系中已知最古老也最大的撞擊盆地,寬度約2500公里。PHOTOGRAPH BY NASA/GODDARD

研究人員在月球背面發現埋在地下的巨大未知物:這團神秘的物質可能是金屬,差不多是夏威夷大島的五倍大。

近日發表在《地球物理研究通訊》(Geophysical Research Letters)上的研究指出,這個特殊的結構位於南極-艾托肯盆地下方至少290公里處。南極-艾托肯盆地起源於數十億年前的巨大隕石撞擊,當時的月球表面已從最初的熔融狀態,冷卻到足以讓撞擊留下持久的印記。

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研究團隊結合了根據美國航太總署(NASA)重力回溯及內部結構實驗室(Gravity Recovery and Interior Laboratory,以下簡稱GRAIL)的數據和月球勘測軌道飛行器的月表地形資料,發現了異常質量。這些數據讓科學家能夠比過去更準確地計算隕石坑的地殼厚度和地函密度,因此揭露了在月球地表下的這個奇特的巨大質量。

這篇研究論文的共同作者──貝勒大學(Baylor University)的彼得.詹姆斯(Peter James)指出,巨大質量或許與隕石坑的形成有關,可能是古老隕石金屬核心留下的殘餘物質。雖然從月表無法明顯地看到地底下異常巨大的質量,但它確實產生了相當大的影響,讓這裡的月表變成了較周圍隕石坑底還要低800公尺左右的特殊卵形凹陷──科學家將這種地形特徵稱為中央凹陷。

「這個發現相當重要,」NASA戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的月球地質學家丹尼爾.莫里亞蒂(Daniel Moriarty)表示:「這真的讓我們得以一窺月球內部發生的事情。」

這張偽色影像是月球背面的地形圖,較暖的色調顯示海拔較高的區域,而較冷的色調則顯示海拔較低的區域。虛線圓圈表示南極-艾托肯盆地下方的質量異常區域。IMAGE BY NASA/GODDARD SPACE FLIGHT CENTER/UNIVERSITY OF ARIZONA

這張偽色影像是月球背面的地形圖,較暖的色調顯示海拔較高的區域,而較冷的色調則顯示海拔較低的區域。虛線圓圈表示南極-艾托肯盆地下方的質量異常區域。IMAGE BY NASA/GODDARD SPACE FLIGHT CENTER/UNIVERSITY OF ARIZONA

先前,科學家就一直對南極-艾托肯隕石坑的表面成分和大小非常感興趣。

「這是我們在太陽系裡所知的尚存隕石坑中最大的一個。」詹姆斯表示。這次發現的異常質量讓科學家更為好奇,特別是因為南極-艾托肯隕石坑和附近的月球南極,都是未來許多月球任務可能調查的潛在目標。

科學家已經開始研究地底下的巨大質量。他們的努力或許可以揭開形成這個隕石坑的巨大撞擊背後的故事,並填補我們對月球和其他天體如何隨時間變化的重要未知細節。

「我的工作是為隕石撞擊建模,這項發現實在讓人興奮,」並未參與這項研究、布朗大學(Brown University)的布蘭登.詹森(Brandon Johnson)表示:「我迫不及待地想開始研究這個問題。」

巨大的發現

GRAIL在2011年發射了名為退潮號(Ebb)和漲潮號(Flow)的兩艘太空船,繞月飛行近一年,並且在任務期間精確地描繪了月球重力場的變化。該研究團隊利用這些數據,建構了目前最高解析度的月球重力場圖。

↑↑↑↑↑101科學教室:月球
月球的組成成分為何?它又是如何形成的呢?讓我們跟著影片,一起來了解月球的猛烈起源、月相變化如何形塑最早的曆法,以及人類如何在半個世紀前,首度探索地球唯一的天然衛星。

利用這些數據,我們就能大概了解月球地表和地下的情況。在質量愈大的地方(像是地形愈高或岩石密度愈大),重力就會愈強。從GRAIL所繪製的重力場圖,可以看到南極-艾托肯盆地與月表多數大型隕石坑間有著明顯的差異。

其他大型隕石坑也有所謂的質量聚集區(mass concentrations,簡稱為mascons)。1968年,NASA噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)的科學家在重力場圖中發現像靶心一樣的結構──中心的圓形區域是個強重力區,周圍環繞著重力較弱的環形,再往外是另一個重力更強的環形。這種現象是由於月球在受到隕石撞擊後,密度較低的地殼和密度較高的地函發生重新排列的結果。

但南極-艾托肯盆地並沒有像這樣的靶心結構。為了弄清楚這裡下面發生了什麼事,科學家改以計算的方式,依據對撞擊力量提出的新假設創建了模型,更準確地反映出自然系統。結果顯示在月球的上部地函內,有著大範圍的高密度物質聚集區域。

核心的殘骸?

研究團隊提出兩種解釋地下巨大質量的可能性。第一種可能性,是早期月球還被古老的岩漿海洋覆蓋時,在冷卻的最後階段所形成緻密氧化物的殘餘物。但研究人員仍無法提出可以精確解釋在這塊盆地下方形成這樣高密度區域的機制。

詹姆斯問道:「在月球所有的地方中,為什麼這裡會出現這個巨大質量呢?」。

另一種可能,則是該研究團隊認為,這團巨大的質量可能來自古老的隕石衝擊。撞擊月球讓這裡形成巨型盆地的那塊太空岩石,可能大到在形成之初就足以分成不同岩層。因此這顆岩石就像今日的眾多行星一樣,擁有高密度的金屬核心和岩質外層。

在撞擊的命運之日,衝擊的能量在月球表面形成深深的碗狀隕坑,隕石的金屬核心撞進坑洞內部。但原本的隕坑並沒有留下來,熔岩重新填滿了坑洞的部分區域,而隕坑內仍殘留古老隕石核心的熔融痕跡。

詹姆斯表示:「我敢打賭就是這樣。」

「這個解釋很能說服我,那裡真的有些什麼。」詹森也同意這個解釋,認為異常質量的確有可能是隕石核心所留下的殘骸。「我在閱讀這篇論文的時候,一直在想我們接下來可以採取哪些不同的方式,了解究竟是什麼造成他們在地底下發現的異常質量。」

愈來愈好奇

這篇最新研究不但發現了神秘的異常質量,還回頭檢視了撞擊盆地內緣的邊界。他們的結果指出,先前的科學家低估了隕石坑的大小。由於NASA和其他機構的任務正準備前往這個撞擊盆地和附近的月球南極,因此這個發現可能相當重要。在這之前,最後一次研究撞擊盆地內緣邊界的科學家所使用的數據是來自克萊門汀號(Clementine)任務的結果,但該探測器並未探測到靠近盆地南邊的一些區域。而最新的研究則是使用了月球勘測軌道飛行器和GRAIL的資料,數據更為完整。結果顯示,這個隕石坑比過去認為的還大了64公里左右。

整體來說,這項研究讓我們對南極-艾托肯盆地更好奇了。

「這實在是太神秘了。」西安大略大學(Western University)行星科學與探索中心(Center for Planetary Science and Exploration)的莎拉.瑪斯魯爾(Sara Mazrouei)說。她並未參與此項研究工作。如果科學家能對這種結構有更深的認識,或許就能更了解太陽系天體形成的奧秘。

「在我們的太陽系中,每顆行星都是由更小的天體互相撞擊,最終才形成更大的天體。」莫里亞蒂表示。

在地球上,永不停歇的板塊運動會持續改變地球過去的地貌,或是讓早期撞擊所留下的痕跡消失。但月球的地貌仍維持著數十億年前的樣子,留下了在太陽系嬰兒時期發生的令人難以置信的紀錄──包括形成這個太陽系已知最大撞擊盆地之一的戲​​劇性事件。(延伸閱讀:地質學家也震驚,月球地質可能依然活躍!

「我們對於它是如何形成的確切過程,有太多不了解,」莫里亞蒂在談到南極-艾托肯盆地時說:「這是目前研究中一個很大、很大、很大的領域。」

延伸閱讀:中國的嫦娥四號登陸月球背面,有什麼重要意義?月球上的水,原來有這麼多啊!

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