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月亮的皮肤为什么这么差?人类用了近300年才弄明白

编著:环球科学ScientificAmerican 贝恩德·布伦纳     来源:https://mp.weixin.qq.com/s/v4HYiV5EADHVGUgCUbXrDg


月球上的陨石坑大多分布在高地, 直径超过半英里的约有 10 万个。 这些陨石坑使月球表面显得跟地球表面完全相反,所以一直颇受注意。这些坑洞可能是圆形、多边形,或是不规则形,可能有外壁也可能没有。陨石坑的大小也很多样, 最小的可能非常微小,最大的(例如南极的艾肯盆地)直径可达1500 英里,深达 7.5 英里。


有人曾经开玩笑地把月球表面比作瑞士奶酪,但即使是把月球表面的大小陨石坑好好分类,也让人眼花缭乱。“陨石坑”这个词的用法其实也不大确定:陨石坑的英文 crater 原意为火山口, 但月球上的陨石坑跟火山无关, 也没有地球上的火山口那么深。现在我们已经用撞击坑(impact crater)来区分火山口和陨石坑了。


望远镜问世之后, 科学家很快就开始讨论伽利略比作“孔雀尾羽上的眼睛”的东西从何而来。


早期月球学学者认为, 月球上的山脉边缘很锋利。此插图取自华伦(H. D. Warren)的《天文学消遣》(R ecreations in Astronomy,1879)


英国皇家学会罗伯特·胡克(Robert Hooke,1635 —1703)首先提出自己的看法。《显微图谱》(Micrographia,1665)的主题是胡克使用显微镜时的发现,但他把月球陨石坑比作地球上的火山口,因此认为它出自月球内部。他曾经把火枪子弹抛入湿黏土中,产生类似月球陨石坑的凹洞。


18 世纪末,天文学家弗朗兹·艾皮努兹(Franz Aepinus of Saint Petersburg) 也推论月球陨石坑源自火山,并进一步猜测,盆地是火山形成过程的第一个阶段。喷出物质在他称为“莫菲塔”(mol fetta)的坑洞周围,形成中央山丘。艾皮努兹描述月球表面时,写下了史上最极端的月球火山作用描述:


了解火山活动产物的形成和形式的人,如果仔细检视月球,一定会对整个月球表面满是这类产物感到惊奇,而且可以看见各种各样的产物,包括有莫菲塔和没有莫菲塔的火山盆地,以及喷口开放和封闭、有或没有熔岩流、有或没有莫菲塔的火山等。


1778年,威廉·赫歇尔爵士为月球火山作用理论,添加了进一步的细节。他认为“新月的阴暗 部分, 有三座火山在三个不同的位置。 其中两座不是已经接近熄灭,就是即将喷发,可能下个阴历月就能确定。第三座火山呈现出实际喷发的火焰或发光物质”。


从现代的观点看来,似乎很难了解,当时为什么没有人质疑月球陨石坑源自火山。 这个结构虽然比地球上的火山口大上许多,但透过早期望远镜看来,确实很像火山口,尤其是周围 环绕着一圈山丘的维苏威火山。 观察在斜射阳光下阴影格外夸张的月球, 再描绘出观察结果,图中会出现陡峭的山峰, 但这些山峰其实根本不存在。 此外,18 世纪的科学也不了解月球真正的起源。最后,人类历史上,从来没有人目睹过流星坠落并造成陨石坑。


当时连流星是否存在都还有争议,但在1803 年7 月 26 日中午过后,惊天动地的大事发 生了。在法国诺曼底的莱格尔村(L'A igle)附近,有数百人目睹了多达数千枚的陨石雨。 这 阵陨石雨, 不仅消除对于“陨石是否来自地球之外”的所有质疑,也证实了确实可能有陨石撞击事件。 不久之后,1807 年 12 月14 日, 两位耶鲁大学教授记录了美国康涅狄格州的韦斯顿陨石(Weston meteorite), 这是美国历史上第一枚有记录的陨石。 据说当时的美国总统杰斐逊曾说:“我宁愿相信两位耶鲁大学教授说谎,也不愿相信石头会从天而降。”


但“石头可能从天而降”这事,并没有让人们立刻联想到月球的陨石坑是这么来的。赫歇尔爵士,仍然把月球陨石坑比作法国和意大利的火山, 并且强调 “简而言之, 它们完完全全具备火山的特质, 与我们在维苏威火山口看见的,完全相同。而在某些大坑中, 使用高倍率望远镜可以清楚看出, 喷出物反复沉积造成的火山地层明确特征”。


19 世纪 70 年代,普罗克特提出,月球陨石坑是月球“处于可塑状态”时由陨石造成。“这个 说法乍看之下,十分荒唐古怪,竟然认为月球上的大量陨石坑, 尤其是使用高倍率望远镜时看见的无数小陨石坑,都是陨石雨打出来的。我当然也不想把它视为真实的陨石坑起源理论。不过有一点必须记住, 就是目前为止,还没有看来可信的理论,可以解释月球表面这些引人注目的特征”。普罗克特想象,“在陨石大量坠落产生的极度高热下,月球表面一大片圆形区域变成液态, 在陨石坠落造成的环形波影响下快速凝固,就造成了现在这种状况”。


美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑


有个“以退为进”的方法,那就是我们需要在地球上进行更多研究, 以解释月球上的陨石坑。 曾在美国地质勘探局工作的地形学家葛罗夫·卡尔·吉尔伯特(Grove Karl Gilbert,1843 —1918), 开始研究亚利桑那州沙漠砂岩中的浣熊山(Coon Mountain,后来改名为大陨石坑)。他比较陨石坑和坑边物质的体积后,误判陨石不可能造成这个巨坑。就算陨石坑附近已经发现陨石碎片,他也无法接受,还宣称这些陨石是巧合。现在我们知道,5 万年前,有一块重达 63 000 吨的巨大石块, 以每小时超过 4 万千米的高速撞击地球后爆炸, 速度大约是子弹的 50 倍。1883 年, 印度尼西亚喀拉喀托岛上的火山发生剧烈喷发的 10 年之后,吉尔伯特 把研究重点转移到月球。讽刺的是,他坚定地认为,月球陨石坑其实是陨石撞击所形成的。


根据当时的普遍想法, 从不同角度撞击月球的陨石,应该会形成椭圆形或“拉长”的陨石坑。那么吉尔伯特如何解释陨石坑的轮廓接近正圆呢?他在实验室的控制环境下抛出黏土球, 发现撞击疤痕的外观, 不仅取决于黏土球撞击目标的角度, 还有物质黏性和撞击速度。 他表示, 结果可以说明月球表面的撞击坑洞为何大致呈圆形。 不过这个领域的科学家大多觉 得它太前卫, 新理论还需要一段时间来取得信赖。


业余天文学家拉尔夫· 鲍德温(Ralph B. Bald-win) 提出了月球陨石坑出自撞击的进一步证据。 他仔细检视月球照片, 一直很好奇那些直线形山谷或沟槽,如何朝雨海中央延伸。后来他断定,它们一定是庞大的岩石层因剧烈爆炸而形成。 第二次世界大战后, 他对照月球陨石坑的深度直径值, 和炸弹爆炸造成的弹坑,发现它们的特性类似。他列出地球上大约 50 种地层的清单, 其中大多数后来证实源自撞击。


鲍德温在《月亮的脸》(The Face of the Moon,1949)中写道 :“所有观测结果都指出,绝大多数月球陨石坑诞生自巨大爆炸,这类爆炸的原因,是庞大的陨石撞击和急速停止,月球外壳的主要特征决定在其卫星生命最初的 1/4。”此外他也发现,冲击波的对称特性使陨石坑变成圆形。 鲍德温研究他的假说时,一定已经知道广岛和长崎的原子弹,但我们只能猜测或许这个知识对他有什么影响。 虽然他的书销售业绩不佳, 但恰好被一些科学家注意到,现在普遍被视为月球科学史上最重要的一本著作。


本文节选自由北京联合出版公司出版,贝恩德·布伦纳所著的图书:《月亮》


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