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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

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发表于 2018-9-26 08:12:18 | 显示全部楼层 |阅读模式

  来源:环球科学ScientificAmerican
  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(RobertHooke,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 AepinusofSaintPetersburg)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”(molfetta)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‘Aigle)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(Westonmeteorite),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(GroveKarlGilbert,1843—1918),开始研究亚利桑那州沙漠砂岩中的浣熊山(CoonMountain,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63000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(RalphB。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》(TheFaceoftheMoon,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。
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