月亮是由什么构成的?

1969年7月20日，阿波罗11号登月舱在月球表面着陆。几个小时后，7月21日，尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林走了出来。这次任务是长达十年的阿波罗计划的高潮，该计划将人类送上月球。毫无疑问，这是20世纪最伟大的科学和工程成就之一——但我们对月球有什么了解呢?

阿姆斯特朗和奥尔德林在登月舱外待了两个十五小时，他们收集了大约20公斤的岩石和其他月球物质。随后的5次阿波罗登月任务也带回了总共超过300公斤的样本。

当阿波罗号的宇航员带着他们的宝藏返回时，化学家们可以开始直接研究我们这颗卫星的成分了。随着新的分析技术的发展和新的理论问题的提出，这项研究仍在继续。

在海上

当伽利略·伽利雷在1610年发表了他革命性的望远镜观测结果时，他把他在月球表面看到的光线模式的变化归因于山脉在月球黎明到达低地之前捕捉到了它。这一结论立即遭到了学院派哲学家的质疑，他们认为这与亚里士多德关于所有天体都是完美球体的学说不相容。

光谱学可以探测到太阳中的元素，但它对月球的揭示很少，因为月球只是反射太阳光

然而，到17世纪晚期，人们普遍认为月球是一个具有类似地球地形特征的物质天体。betway必威游戏下载大全因此，它较暗和较光滑的部分被称为玛丽亚(海洋)，以及它的明亮和粗糙的地区土(土地)。它众多的火山口被认为是火山。在1687年数学原理艾萨克·牛顿通过测量潮汐的涨落来估计月球的引力，并计算出它的密度是地球的九分之一——几乎是正确值的两倍。

尽管19世纪的物理学家可以更准确地测量月球的质量，但它的组成仍然是神秘的。光谱学可以探测到太阳和恒星中的元素，但最初它对月球的揭示很少，月球只是反射太阳光，减去它吸收的频率。

在20世纪，更大的望远镜和更好的摄影技术制作出了更详细的月球表面地图。然而，火山作用和轰击在形成火星表面方面的相对重要性引起了激烈的争论，特别是诺贝尔奖得主美国化学家哈罗德·尤里和杰出的荷兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯之间的激烈争论。与此同时，美国天文学家拉尔夫·鲍德温的计算表明，大多数月球陨石坑都太大了，不可能成为火山，在太空竞赛开始之前，他基本上被忽视了。

第一次登陆

1959年，苏联的月球2号探测器撞击月球。在撞击之前，它的仪器没有检测到磁场，这意味着没有类似地球的液态铁核。后来的地震观测表明，月球的铁核非常小，大部分是固体。当月球10号在1966年环绕月球运行时，它的伽玛射线光谱仪分析了高能宇宙射线撞击原子核发出的辐射。它探测到的元素表明玄武岩的存在——最常见的陆地火山岩——在较暗的地区仍然被称为玛丽亚．天文学家很久以前就得出结论，这些“海洋”中不含水，但这个名字保留了下来。

1967年，美国的勘测者5号登陆宁静海-“宁静之海”它使用来自地表元素的粒子反向散射来识别一种特定类型的玄武岩，这种玄武岩通常在格陵兰岛发现(玄武岩不是单一的化合物，而是不同比例的硅酸盐的混合物)。下一步是宇航员收集月球样本。

在1969年至1972年期间，美国的6次阿波罗着陆产生了大约381公斤的物质，而苏联的3次机器人探测器在1970年至1976年期间返回了0.326公斤的物质。科学家们仔细检查了这些标本，因为似乎多年来不太可能有更多的标本。然而，1982年，华盛顿特区史密森学会陨石馆长、新西兰地球化学家布莱恩·梅森(Brian Mason)发现了另一个陨石来源。

当美国国家航空航天局(Nasa)从南极洲送给他一个不同寻常的标本时，梅森很快发现它与宇航员收集的材料相似。它独特的铁锰比例后来证实，它来自月球——被某种巨大的撞击炸出，随后被地球引力捕获。此后，更多总计超过190公斤的陨石产生了其月球起源的化学和矿物学证据。这些天体还含有在月球或太空中暴露于宇宙射线而产生的放射性同位素。在地球大气层内，宇宙辐射被抑制，这些“宇宙起源核素”的形成停止了，由于它们有不同的衰变速率，它们的相对比例表明了陨石到达地球的时间。

毕竟不是奶酪

解释所有这些数据是一项有问题的工作，因为月球表面是一个复合实体。与地球不同，月球没有磁层来阻止太阳风在其上沉积氢(以及少量的重元素)，虽然月球引力较低，但这些物质大部分会消散到太空中，但更多的物质会不断到达。月球上还散落着与原始表面物质显著不同的流星——这些物质本身已经被猛烈的撞击彻底改变了。

月球表面的大部分都覆盖着风化层，这是一种粉状的岩石混合物，它们被粉碎，然后在轰击下反复搅拌——月球学家称之为“园艺”。它通常含有微小的玻璃状球体，其中大多数可能是在陨石撞击融化硅酸盐岩石并分散产生的液滴时形成的，尽管有些可能是火山的起源。更大的撞击释放出足够的能量，将非均质矿床融合成复合岩石——即角砾岩——随后的轰击将其粉碎。渐渐地，这些混乱的记录被破译了。

在太空时代开始之前，我们知道月球的密度大约是地球的60%。来自轨道仪器和表面样本的数据证实了其地壳中较轻元素的主导地位。其中最主要的是氧(重量的45%)和硅(重量的21%)，大多数与铝、钙、镁、铁和钛结合在各种硅酸盐矿物中。许多其他元素的含量较小，但较重的元素非常罕见。

这些元素的空间分布不均匀。平均而言，月球高地岩石的铝含量是地球的近三倍，铁含量约为地球的三分之一，钛含量不到地球的五分之一玛丽亚玄武岩。但这些数字仍然不足以代表月球的多样性。来自不同着陆点的样本显示出显著的差异，在地球上发现的月球陨石也是如此。

阿波罗11号，12号和14号都瞄准了低地地区。他们的样本彼此之间有明显的差异，与阿波罗15号和16号在高地收集的材料的差异更大。在月球16号和24号传回的低地样本和月球20号传回的高地样本之间也发现了类似的差异。来自不寻常的地形静海阿波罗17号带来了独特的发现，进一步丰富了这幅画。后来，轨道探测器(包括美国的月球探勘者号(1998-9)和欧洲航天局的SMART-1号(2003-6))进行的长时间光谱调查，为所有这些结果提供了更广泛的背景。

在由较轻物质组成的漂浮地壳下，密度较大的物质，如富含铁的橄榄石，沉入了下面仍在熔化的岩浆中

总的来说，最常见的月球高地岩石是斜长岩(在地球上也很普遍)。月球斜长石主要由斜长石组成，其主要成分是钙长石(CaAl₂如果₂O₈)，加上一些钠长石(NaAlSi_3.O₈)．高地岩石也可能含有少量的其他矿物，包括橄榄石(镁的混合物)₂SiO₄和菲₂SiO₄)和钛铁矿(主要是FeTiO_3.)，这两种物质在玛丽亚．

宇航员探索玛丽亚步行时发现岩石碎片的颜色比周围的物质更浅，化学成分也不同。它们被证明是高原长石的碎片，被巨大的陨石撞击粉碎和分散。在这些标本中捕获的氩气泡(由钾-40的放射性衰变产生)表明，它们在宇宙形成之前就已经凝固了玛丽亚下面是玄武岩。

对其最古老岩石的同位素测年表明，月球表面大约在45亿年前开始凝固。在由较轻物质(主要是斜长岩)组成的漂浮地壳下，密度较大的物质，如富含铁的橄榄石，沉入了下面仍在熔化的岩浆中。与此同时，与小行星大小的天体的碰撞在表面形成了巨大的凹陷，其中一些充满了熔融岩石，形成了玛丽亚。然而，这个过程比最初看起来要复杂得多。

的相对年龄玛丽亚可以从它们(原本光滑的)表面在随后的撞击中产生的坑的程度来估计，但样品的同位素测年可以更精确地显示任何特定表面凝固的时间。似乎大多数由小行星撞击形成的盆地都没有立即充满岩浆——事实上，这种延迟可能会持续数百万年。因此，这种上升流需要另一个促成因素，这是进一步的化学调查所揭示的。

追求理解

阿波罗号的许多样品中都含有一种意想不到的成分——一种名为“Kreep”的混合物，含有钾(K)、稀土元素(REE)和磷(P)。由于各种物理和化学限制，这些元素不愿与周围的物质结晶，因此在剩余的液态岩浆中富集。当他们最终固化时，他们往往伴随着其他相对不合群的元素。其中包括铀和钍，以及放射性钾-40，可以产生足够的热量融化岩石。

这些产生热量的元素在地表下的浓度似乎为火山活动提供了动力，火山活动穿透了月球地壳，填满了撞击洼地。一个惊人的反常现象证实了这一论点。月球背对地球的那一面有许多撞击盆地，但几乎没有玛丽亚。这是由于月球背面地壳的阻力造成的，卫星调查显示，月球背面的地壳比地球对面的地壳厚约15公里。同样重要的是，正如卫星观测所显示的那样，月球背面产生热量的克雷普矿床相对稀少。

随着关于月球成分的证据越来越多，关于月球起源的争论也越来越激烈。一些天文学家认为，月球是从原始地球中分离出来的，但计算机模型显示，这需要一个不可思议的高旋转速度。另一些人认为月球是由环绕地球的尘埃云合并而成的——尽管这团尘埃云是如何起源的仍然是个谜。一些人认为，在太阳系混沌的年轻时期，地球捕获了一颗经过它的轨道的完整的月球。然而，计算机模型表明，除非两个这样的物体的轨迹是最佳对齐的，否则就会导致失误或碰撞。

目前，最有说服力的起源理论是，与火星大小的天体碰撞重塑了地球，并创造了月球。强有力的证据来自于月球和地球化学之间的显著相似性。虽然月球较重的元素较少，但其较轻元素的相对比例与地球上的非常相似。此外，某些元素的同位素(尤其是氧)在地球和月球岩石中的比例几乎相同。相比之下，来自陨石和火星探测器的其他地外样本显示出更大的化学和同位素多样性。

因此，似乎有可能是46亿年前，一颗流浪行星(后来被命名为Theia)与地球猛烈碰撞，以至于几乎所有的物质——以及地球的大部分——都蒸发了。这种白炽气体完全混合，然后大部分在地核周围重新凝固，而剩余的部分凝结形成了月球。

将新技术应用于现有资源仍然可以告诉我们更多关于月球的组成和历史的信息——今年，阿波罗下一代样本分析计划投入了800万美元(630万英镑)用于新项目——但新的探索浪潮已经开始。中国的嫦娥四号月球探测器正在从月球南极附近的艾特肯盆地传输令人兴奋的数据。这个宽134公里、深6公里的巨大洼地可能是在40亿年前由一颗宽200公里的小行星造成的。长期以来，科学家们一直认为它使月球地壳破裂，从地幔释放出熔融物质(尽管不足以形成像月球那样巨大的黑暗区域)玛丽亚在月球近地一侧)。

嫦娥四号的光谱化学分析现在已经确定了支持这一断言的表面矿物质，预计很快会有更多的结果。与此同时，美国国家航空航天局(Nasa)正在紧急寻求联邦资助，以便在2024年前实现人类着陆，企业家们正在准备私人资助的任务，以寻找可开采的矿产资源。关于月球的化学成分，我们已经了解了很多，但更多的惊喜仍有待下一代探险家的探索。

迈克·萨顿(Mike Sutton)是英国纽卡斯尔的科学历史学家

进一步的阅读

B L Joliffe, M A Wieczorek, C K Shearer和C R Neal(编辑)，月球的新景象， de Gruyter & Co, 2018

D怀特豪斯,《月亮传，标题，2001