几十年来，科学家们一直困惑于月球背面布满陨石坑的沉重陨石坑和面向地球低洼开阔盆地之间的巨大差异。现在，关于月球外壳的新证据表明，这种差异是由太阳系早期一颗任性的矮行星与月球相撞造成。关于这项新研究的报告2019年5月20日发表在AGU《地球物理研究-行星》上。月球的两张面孔之谜始于阿波罗时代，当时第一次看到月球背面时就发现了惊人的差异。早在2012年“重力恢复与内部实验室”(GRAIL)任务完成了对月球结构的测量。
其中包含了更多关于月球结构的细节，包括月球外壳如何变厚，以及月球背面多了一层物质。有许多想法被用来试图解释月球的不对称性，一是曾经有两颗天然卫星围绕地球运行，它们在月球形成的早期就合并在一起。另一种观点是，一颗巨大的天体，可能是一颗年轻的矮行星，处于环绕太阳的轨道上，这使得它与月球发生碰撞。这项新研究的主要作者、澳门科技大学空间科学研究所的华珠(孟Hua Zhu)说：后一种巨大撞击的想法发生时间要比合并月球的设想晚一些，而且是在月球形成固体外壳之后。
（图示）月球的地形(A)、地壳厚度(B)和钍的分布在月球近侧面和远侧面有显著差异。黑色虚线分别代表Imbrium (Im)、Orientale (Or)和Apollo (Ap)盆地的边界。图片：JGR: Planets/Zhu et al. 2019/AGU
在今天的月球地壳结构中应该可以看到这种撞击迹象。GRAIL所获得的详细重力数据为我们了解月球表面下地壳的结构提供了新视角。GRAIL的新发现为研究团队提供了一个更清晰的目标，使用计算机模拟来测试不同的月球早期撞击场景。研究作者对月球上的巨大撞击进行了360次计算机模拟，以确定数百万年前的这种撞击事件是否能重现GRAIL探测到的今天的月球外壳。发现，最适合今天不对称月球的是一个大天体，直径约480英里(780公里)，以每小时14000英里(22,500公里)的速度撞击月球近侧。
这相当于一个比矮行星谷神星稍小一点的天体，其运动速度大约是流星卵石和沙粒在地球大气层中燃烧成“流星”速度的四分之一。撞击组合的另一个很好匹配点是一个稍小的450英里(720公里)直径，物体以每小时15000英里(24500公里)的速度撞击。在这两种情况下，模型显示撞击会产生大量物质，这些物质会落回月球表面，将月球背面的原始地壳掩埋在3到6英里(5到10公里)的碎片中，这是GRAIL探测器在月球背面探测到的附加地壳层。新的研究表明，撞击者不太可能是地球的第二个卫星。
（图示）模拟直径780公里(铁芯直径200公里)、冲击速度14000英里/小时(22,500公里/小时)冲击成盆的过程。图片：JGR: Planets/Zhu et al. 2019/AGU.
无论撞击者是什么（小行星还是矮行星）当它遇到月球时，很可能是在它自己围绕太阳的轨道上。巨大的撞击模型也很好地解释了地球和月球表面钾、磷和钨-182等稀土元素的同位素之间无法解释的差异，这些元素可能来自于巨大的撞击，在月球形成后，撞击会给月球增加这种物质。模型可以在月球起源巨大撞击情景的背景下解释这种同位素异常。这项新研究不仅为正在进行有关月球的问题提供了答案，而且还可能为我们了解太阳系中其他不对称星球的结构提供线索，比如火星。
