【物理科普】月球: 虽然我已经“死”了,但岁数也不能乱写啊 - 太空探索论坛

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月球的年龄我们可以用一句话解释：月球与地球一样诞生于大约45亿年前，但地球至今还“活着”，月球却在大约20亿年前“死了”，某些媒体宣传的所谓月球的“年龄”，其实是它“死亡”时距今的年龄。

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判断星球死亡与否的证据在于星球上是否还有大规模岩浆活动，而所谓“延寿”是指中国科学家证明月球在20亿年前仍存在岩浆活动，使此前已知的月球地质寿命延长了约8亿年，这一点央视在其去年的报道中其实已经讲得很清楚了。

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央视报道

图片来源：http://www.igg.cas.cn/kxcb/mtsm/202110/t20211020_6226058.html

下面，我们来给大家详细讲讲，人们究竟是怎么知道月球年龄的。

故事，从太阳系形成讲起

要讲到月球的起源，就不得不先提到太阳系以及地球的形成过程。

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点这里看太阳系的形成

45.72亿年前，我们的太阳系还并不是一个恒星系，它只是一团围绕银河系中心旋转的太阳系原始星云。在种种原因下，太阳系原始星云向内部坍缩从而变小变密，同时它的形态也从球状星云变成了扁平的盘状星云。

在星云盘的中央，99.9%的星云物质都汇聚在了一起，给这里带来了极高的压力和温度，由此导致氢原子之间发生核聚变反应，这种反应会源源不断释放出更多的热量，加热周边更多的氢原子让它们也开始参与到核聚变中。于是星云的中央被“点燃”了——太阳由此而形成。

在太阳形成后，剩余的星云物质中的绝大部分继续围绕着太阳运动，形成了原行星盘。这些小颗粒物质相互碰撞，从小颗粒长到大颗粒，然后从大颗粒变成更大的星子，然后继续碰撞，变得更大，形成了行星胎。由于太阳温度造成的物质分选（离太阳越近，越耐热，离太阳越远，越不耐热），所以在太阳系内部形成的都是岩质行星，太阳系外部都是气态巨行星和冰巨星。

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太阳系形成过程示例

图片来源：NRAO/AUI/NSF, Bill Saxton

但是这第一批岩质行星并不是我们目前看到的水金地火等行星，而是一些非常大的“超级地球”。它们在离太阳很近的地方快速公转；与此同时，在太阳系外侧，大约3.5天文单位的地方是“冰线”，冰线之外存在着大量冰星子，原始的气态巨行星们就以冰星子作为原材料而迅猛生长。

在冰线内侧，冰星子受热无法存在，其融化后的气体则被驱赶到了冰线附近，这里处于从气体变成冰的过渡带。最初的木星就形成于冰线附近，它不仅有大量冰星子作为原料，还能吸附冰线附近的丰富气体，从而能够迅速增长，这让它很快变成了太阳系中的巨无霸。

不过由于太阳本身存在的巨大引力，整个太阳系的气体都会被太阳吸引而向其掉落，其中就有木星。由于木星的庞大质量，它在向内太阳系迁徙的时候，就如同一个推土机，扰乱了太阳系内星子的运动轨迹，也让这里星子密度大增。

原本存在的超级地球因此辈大量星子及尘埃包裹，就好像一脚踩进泥团中，也很快减速——减速的结果就是轨道降低并先后被太阳吞噬，根据计算，这些超级地球可能在数十万年间就消失殆尽了。

而与此同时，迁徙中的木星和土星则奇妙地达到了共振的状态——由于土星个头小，因此虽然木星率先迁徙，但土星很快赶到了附近，并在1.5个天文单位（也就是大约现在火星的位置）达到了2:1的轨道共振位置：木星每绕太阳2圈，土星正好绕太阳1圈（也有人认为是3:2）。

这种引力共振扭转了它们向内迁徙的脚步，并开始重新向外迁徙。不过它们向内和向外迁徙的过程扰动了原本星子的运动，导致大量冰星子和岩石星子混合在一起，当超级地球们消失后，这些星子很快碰撞，开始形成我们现在看到的内太阳系的各大岩质行星。而由于木星曾经在火星轨道上呆过，导致轨道上星子大量减少，因此火星的质量非常小，只有0.107个地球质量。

在火星轨道之外的小行星带处也是如此，只不过这里的物质更少一点，因此完全无法形成行星，只能保留着数十亿年前的模样。同时，由于木星驱动了星子向内太阳系的运动，导致在1个天文单位处形成星子密集区，这些星子最终就形成了金星和地球，并在更内部的地方形成了水星，太阳系的雏形就此形成。（这就是太阳系形成理论中的大迁徙假说）

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图片来源：pixabay

总之，我们可以想象到，在太阳系形成之初是极为混乱的，这种混乱带来的结构就是无数的碰撞。在最初的太阳系内可能存在许多行星胎，它们在相邻的轨道上运转，相互碰撞，最后只留下最大的那些独占了相邻的轨道。

地月系统的起源——大碰撞

地球形成之初，必然是如同地狱一般的景象：碰撞导致了地面熔融，大部分区域都变成岩浆，还有源源不断的各种大小行星撞入地球。

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地球形成前期被无数小行星碰撞而熔融成为岩浆球的想象图，图中的亮点均为碰撞导致

图片来源：flicker- Kevin Gill

在这些行星中，就有一颗如同现在火星大小的行星与地球相撞，科学家们称之为忒伊亚（Theia）。碰撞让地球的地幔直接被撕裂，碰撞点附近的温度最高可能超过15 000K，这让其附近的岩石直接变成了蒸汽，也让地球外部1000Km厚的岩层完全变成了熔融的岩浆。忒伊亚当然也好不到哪里去，它的金属核几乎完全被地球“吃”掉，融合近了地球的地核中，它的地幔也几乎都变成蒸汽或者是岩浆与地球的地幔交织融合在一起。

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video: https://mp.weixin.qq.com/mp/readtemplate?t=pages/video_player_tmpl&action=mpvideo&auto=0&vid=wxv_2760075737218514945
地球与忒伊亚碰撞模拟画面

视频来源：NASA

另外，从地球和忒伊亚身上都崩飞出大量的碎屑物质，形成了一个碎屑盘围绕新生的地球旋转。它们很快就再次因为碰撞而形成了一个完整的星球，有些科学家的模拟结果表明，这个速度可能只有一年左右。这个星球就是我们的卫星——月球。这就是目前科学界对月球形成原因的主流看法：认为月球几乎与地球同时形成，且与地球同源。

大碰撞，有证据吗？

科学家们是怎么知道些故事的呢？是岩石告诉他们的。

在上个世纪，美苏都发射了大量探测器，取回了月球表面不同区域的岩石样本。岩石给了我们的第一个，也是主要的证据：地球和月球岩石中氧同位素的相似性。

在自然界中，氧元素存在3种能够稳定存在的同位素：氧-16、氧-17、氧-18。它们的原子核内中子数量有差异，因此造成了它们相对原子质量的差异。正是由于这种质量上的差异，使得这三种同位素在相同温度下的的热力学性质是不一样的。我们简单理解就是，在相同温度之下，相对原子质量越轻，越容易挥发，相对原子质量越重就越难以挥发。

所以如果我们把地球上的氧-17与氧-18的比例看作是1的话，那么比地球更靠近太阳的地方，由于氧-17更容易挥发，所以其氧-17与氧-18的比例应该就是小于1的，而比地球更远离太阳的地方，比如火星，其氧-17与氧-18的比例就应该大于1。

科学家们就利用氧-17和氧-18这两种氧同位素的比例研究了太阳系内各大行星的情况，发现各大行星的氧同位素比例结果正与此理论符合。但是在研究地球和月球的岩石样本时，却发现地球和月球的岩石中含有相同的氧-17和氧-18含量。

除了氧同位素的证据之外，还有科学家对铬同位素、钛同位素等都进行了分析，发现地月岩石中这些同位素的特征也都是相同的。这要么说明地球和月球起源于相同的轨道上，要么就说明确实存在一次大碰撞，在大碰撞中两个星球的物质发生了非常均匀的混合。

来自岩石的证据还包括地月岩石中化学元素成分的差异。月球的岩石中缺乏诸如铷、铅、铋、砷、汞这样的挥发性元素，和金、银、镍等亲铁元素，但是却相对富集一些难熔的元素，比如钴、铬、稀土元素等。这这些证据也支持了大碰撞理论：挥发性元素因为碰撞时候的高温而挥发了，铁以及亲铁的元素在碰撞中融入了地球，只有难熔的元素保留了下来。

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迄今为止，人类软着陆月球的探测器位置。其中部分探测器带回来的大量月球岩石和土壤样本为我们研究月球起源提供了充足的材料

图片来源：wikipedia/Cmglee，有修改

此外，对月球磁场的探测结果也表明月球内部的金属核异常的小，半径可能在250~430Km之间，仅占月球质量的1%~3%，与之相比，地核占地球质量的33%。这也与岩石的化学成分中缺乏铁以及亲铁元素是一致的，都支持了大碰撞理论。另外还有非常多的研究也都支持了大碰撞理论，在此不一一赘述。

How old are you？也要问岩石

而对太阳系、地球、月球年龄的确定也是依靠岩石。只要找到太阳系、地球以及月球上最古老的岩石（或矿物），我们就能通过同位素测年法等方法确定它们的年龄。

对太阳系来说，最古老的岩石来自小行星带。

许多来自小行星带的小行星在太阳系形成之初就已经形成，而且在往后的数十亿年中未经大的改变，因此还保留着诞生时候的模样，它们坠入地面就形成了陨石，科学家们通过研究这些陨石，就能对太阳系进行“考古”，还原出那段发生在数十亿年前的故事来。

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球粒陨石，这是太阳系形成初期就存在的陨石之一

图片来源：wikipedia

对地球来说，要在地球上寻找到与地球诞生同时形成的物质非常困难，因为地球地表非常活跃，地表的岩石往往会经历过风化、沉积、深埋、变成岩浆的多次循环，所以岩石的年龄往往比地球本身的要年轻一些。

不过我们也能依靠这些物质来框定地球年龄的下限。目前发现最古老的岩石年龄为42.8亿年，来自加拿大。而目前地球上发现最古老的矿物为发现于澳大利亚杰克山的锆石，其年龄为44.04亿年。因此，我们至少可以肯定，地球的年龄要大于44亿年。（目前估计的地球年龄实际上为45.4亿年左右，由于地球年龄的确定很复杂，本文不详述）

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地球上最古老的岩石位于加拿大

图片来源：NSF

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地球上最古老的物质来自于澳大利亚杰克山的砂岩中，这些砂岩年龄为30亿年

图片来源：Flickr-James St. John on Flickr

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从上述岩石中取出来的锆石，最大的也不到1mm

图片来源：Science Education Resource Center

对于月球，我们也要寻找到月球上最古老的岩石才能判定其大致的年龄。所以科学家们向月球各个区域都发射了探测器，希望带回月球上最古老的岩石。但是由于技术手段的限制，这无疑是非常困难的。根据已经有的资料，在这之中，月球最古老的岩石来自阿波罗计划中带回来的样本，其年龄足有45亿年。

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这就是有45亿年历史的月球岩石

图片来源：NASA

那么如何判断月球死亡年龄呢？很简单，采集月球上最年轻的岩浆岩，然后测定其年龄，这就是月球的死亡时间。上个世纪以来，美苏向月球发射了数十次成功着陆的探测器，这些探测器采集到的岩石样本大多在30亿年以上，当时科学家根据这些样本得出结论：“月球在大约30亿年前就‘死亡’了”。

在中国的探月计划中，嫦娥五号任务本身就不是为了探索月球年龄的，而是为了探索月球最新的岩浆活动的。如果说阿波罗等计划，寻找月球最早岩石是探索了月球诞生的时间，那么嫦娥五号，实际上寻找的是月球的“死亡”时间，以及月球死亡后月表物质随时间的演化情况的，这就相当于填补了之前对月研究的空白。这也是为什么嫦娥五号的着陆区压根就不在月球最古老的区域，而是推测的最年轻的区域（月海玄武岩区域）的原因。

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红色代表嫦娥五号着陆点，青色和蓝色分别代表阿波罗和月球号任务着陆点。右侧色条则代表月表年龄，单位为10亿年

图片来源：Yang, W. and Y. Lin. 2021. New lunar samples returned by Chang’E-5: Opportunities for new discoveries and international collaboration. The Innovation

现在，你明白月亮究竟多少岁了吗？

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参考文献：

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作者：地星引力

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