新證據挑戰人們對月球的了解:她其實還「活著」,而且沒那麼乾?

新證據挑戰人們對月球的了解:她其實還「活著」,而且沒那麼乾?
Photo Credit: ESA / NASA / Handout via Reuters / 達志影像

我們想讓你知道的是

去年在「月球與行星研究所」的一間擁擠的房間裡,月球科學社群聚集在一起,討論過去10年裡我們學到的東西,確認了月球科學最重要的待解決問題,並決定了我們下一步要怎麼走。

作者:Brett Denevi
譯者:林中一教授

新近的發現挑戰了我們長久以來自認對這個地球最近鄰居──月球──的瞭解。

人類在太空時代初期所開始的月球探測,促成了「近代行星科學」的誕生。這一門學問所探討的是我們對這個太陽系複雜歷史的瞭解,我們希望能夠有夠細節的瞭解,而讓我們能拼湊出夠完整的故事,來說明所處現狀為什麼是這個樣子。也就是說,在什麼程度上,我們可以說地球的出現是一個行星演化必然的結果,或者那只是個像是中了統一發票般的純屬意外?

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圖片來源:Wikimedia Commons, http://www.lpi.usra.edu/resources/apollo/frame/?AS16-M-3021
1972年4月,阿波羅16( Apollo 16)拍攝下的月球照片。(Wikimedia Commons, http://www.lpi.usra.edu/resources/apollo/frame/?AS16-M-3021)

「月球」在整理出這個故事中扮演了關鍵的角色。如同最早期的地殼似乎早已在時間的洪流中不知去向[1],許多地球的歷史在地質變動與侵蝕中被湮滅,但是月球卻是被相當完整的保存了下來。我們有月球最初表層的樣品,而月球坑坑洞洞的表面記錄了她超過40億年來被小行星和彗星轟炸的歷史──這些太空來的槍林彈雨也曾經光顧過地球喔。這些蝕刻在月球表面的時間歷程,清楚的提醒了我們,人類出現在地球的時間竟是這麼的短。

鮮明的位於月球正面(即永遠面向地球的那一面)南方的放射狀「第谷」(Tycho)隕石坑,是月球表面最新的幾個地標之一。當「第谷」在一億年前經隕石撞擊而形成時,存活在地球的恐龍還見證了這個差一點就落在牠們頭上的災難。當另一個年輕輩的隕石坑「哥白尼」(Copernicus)在八億年前形成時,地球上還沒有樹木生成,而那時候的前超級大陸「羅狄妮雅」(Rodinia)也還是原封不動的完整一大塊。

雖然月球一直是我們瞭解太陽系的基石,也是繼續研究太陽系的墊腳石,然而在1972年「阿波羅計畫」的太空人最後一次返回地球,以及1976年前蘇聯月球計畫的無人登月太空船帶回的最後一批月球樣品後,月球科學似乎趨於寂靜。1980年代是完全沒有月球任務。而1990年代只有兩次,是美國的「克氏小柑橘」(Clementine)任務和「月球探勘者」(Lunar Prospector)任務。但是,在過去的十年多時間裡,世界對月球的興趣、又有了復甦的跡象。2007年由日本「輝耀姬」(Kaguya)繞月太空船計畫開始的一連串的新任務,又開啟了月球探測的第二春。「輝耀姬」太空船上的遙測設備組提供了有關月球組成的新資訊。印度的「月球初航1號」(Chandrayaan-1)偵測到的雷達與近紅外線光譜,給我們有關月球上像水、氫、氦氣及其他揮發性物質分子更深度的瞭解,這些物質在某些特定的情況之下,很容易就在月球表面被氣化。

四個由美國太空總署(NASA)執行的任務,包括「繞月偵測衛星」(Luar Reconnaissance Orbiter(LRO)),「月表隕石坑觀測衛星」(Lunar Crater Observation and Sensing Satellite(LCROSS)),「重力復得與內部實驗室A、B」(Gravity Recovery and Interior Laboratory A and B),以及「月球大氣與塵土環境探勘者」(Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer)完成了多樣使命,其中追蹤了月球所發出由無線電到紫外光波長範圍內的電磁輻射,揭露了月球有冰的存在,記錄了高精準的重力分佈,以及研究了月球表面塵土與揮發性物質的活動。最後,在2013年12月14日中國大陸的「嫦娥3號」機器人登月探測器帶著第一艘登月車「玉兔號」成功的在月球「雨海盆地」(Imbrium basin)著陸──這是人類在1976年之後第一次在月球表面的軟著陸。

這個新一波的月球探測將我們帶到了那裡呢?去年,在德州侯斯頓的「月球與行星研究所」的一間擁擠的房間裡,月球科學社群聚集在一起討論過去的10年裡我們學到的東西,確認了月球科學最重要的待解決問題,並決定了我們下一步要怎麼走。在本篇文章裡,我將討論一部份較深入的看法、一些假說、以及從那次侯斯頓會議裡浮現出的典範轉變。有些是新的構想,有的是對舊問題的新觀點,還有一些則是對一些以前認為是結案的個案重開偵察。

總的來說,以上這些想法與結論只指出了一件事,那就是月亮,這個從遠到無法追憶的年代開始,人類就一直在夜晚抬頭注目的老情人,仍然深藏著許多秘密。

月球沒那麼乾

月球表面有些部分是永遠看不到太陽的。由於月軸有些微的傾斜,在隕石坑的撞擊區域和其他靠近月球兩極的低地,會因為地形的遮蔽而終年不受日光直接照射。圖1所示為月球南極的「恆暗區」(PSR/Permanently Shadowed Region)。在1960年代初期所建立的理論認為,這些恆暗區會困留住一些冰和其他揮發性的物質。這些假說加上以那些揮發性物質做為維持月球基地運作或進一步深入太空探測的資源的可能性,推動了一個現在超夯的研究方向:月球水份大搜索。

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影像承蒙NASA/GSFC/亞利桑納州立大學允許刊登
圖1. 一張月球南極的照明地圖所顯示之黑色部分即為「恆暗區」。在那裡沒有陽光直接照射,所以有潛在的可能藏匿了處於熱穩定的水。這種區域特別在地形的低地處可以找到,像是在隕石坑的底部。這張地圖涵蓋了月球南緯88°–90°的區域。圖中白色部分為90%時間都能受到日照的地區。(影像承蒙NASA/GSFC/亞利桑納州立大學允許刊登)

近年來,科學家在月球上找水這回事上頗有斬獲,美國的「月球探勘者」和「繞月偵測衛星」所收集的中子吸收數據,提供了確切的證據指出有大量的氫隱藏在月球的兩極地區[2]。在那兩個區域,原本自然輻射出的中子流,經由蘊藏豐富的氫原子核有效的吸收後被削弱了。雖然中子吸收數據無法辨別該地區的氫是以那一種形式存在,但在月南極的歇克頓(Shackleton)隕石坑與卡比烏斯(Cabeus)隕石坑內和附近的雷達測量,暗示那個地區有純冰的存在:在低相角的反向散射雷達波顯現了一個特殊的偏極化,這種偏極化與對水結晶的散射結果一致[3]


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