科學家是如何“賞月”的？_風聞

在中秋節賞月之時，除了思念親人，你是否也對月球本身產生過好奇和疑問？世界上最瞭解月球的那羣人——月球科學家們——在賞月之時，會思考哪些科學問題呢？我們通過統計1900~2022年發表的31032篇月球科學SCI論文，為你揭曉答案，讓你從此可以像科學家一樣“賞月”！

撰文 | 楊蔚

“月是中秋明”，中秋佳節是我國的傳統節日，人們最主要的活動就是賞月和吃月餅。中秋賞月始於魏晉，盛於唐代，許多詩人的名篇中都有詠月的詩句，寄託詩人濃厚的思鄉和盼望團圓的情感。

在中秋賞月之時，除了思念親人，你是否也對月球本身產生過好奇和疑問？至少1000多年前的唐代詩人李白，曾經《把酒問月》，“青天有月來幾時”？這亙古如斯的明月，究竟是從何時就存在的呢？1000多年過去了，月球科學家們仍然在探尋這個問題的答案。

作為世界上最瞭解月球的一羣人，月球科學家們在欣賞明月的同時，又會思考哪些科學問題呢？為了弄清這個問題的答案，我們統計了1900~2022年發表的31032篇月球科學SCI論文，提取出TOP 2%重要論文並進行聚類分析後，獲得了當前月球科學最熱門的研究領域（圖1）。

圖1 月球科學領域重要論文的網絡

TOP 1：月球怎麼形成的？

形成時是幹還是濕？

目前學術界基本認同：月球形成於一次大的撞擊事件，被稱為“經典大撞擊理論”。但是，撞擊事件的細節還存在大量爭議，如：撞擊次數、撞擊角度、撞擊持續時間等。尤其是需要解釋為什麼月球和地球在很多同位素上具有高度的相似性，即所謂“月球形成的同位素危機”。

早期學界認為：大撞擊事件形成的月球含水量很低。但是2008年，通過研究月球火山玻璃，科學家發現月球內部並不像過去認為的那麼“乾燥”。這一顛覆性發現進一步對大撞擊理論提出了挑戰：到底是怎樣的撞擊過程，既能造成月球和地球相似的同位素組成，又能讓月球保留足夠高的水和揮發分含量呢？

月球的起源是這120年來關注度最高的問題，並且仍然將是未來月球科學最熱點的問題之一。

TOP 2：

我們今天看到的月殼是怎麼形成的？

我們抬頭看月亮的時候，能夠看到明暗（月海）兩種花紋。簡單來説，亮的部分是月球高地，以斜長巖為主；暗的部分是月海，以玄武岩為主。基於1969年阿波羅11號返回的月球樣品，科學家提出了岩漿洋模型，自此拉開了月殼形成與演化研究的序幕。

高地和月海分別對應了岩漿洋演化和月海玄武岩噴發，這兩個過程都與月球是如何冷卻的密切相關。儘管經過了50多年研究，該領域仍然存在很多未解之謎：岩漿洋的規模多大？持續多久？月幔翻轉是否發生？規模多大？對月幔造成了怎樣的影響？月球火山活動起始和結束時間？其何以持續如此之久？等等。

TOP 3：

月表物質是如何分佈的？

儘管在阿波羅時代科學家就已經對月球開展了遙感地質的研究，但是真正改變這一領域研究範式的是1994年發射的克萊門汀號和1998年發射的月球探勘者。對於全月的精細探測顯示，月殼比過去認為的要複雜得多，而且阿波羅採樣是非常侷限的，並不能全面反映月表的物質組成。此後的一系列探測器，包括月船1號、月亮女神號、月球勘測軌道飛行器，以及我國的嫦娥1號和嫦娥2號，不僅幫助我們識別出新的月表物質和地質現象，而且為未來的巡視探測和採樣返回任務着陸點的選取提供了關鍵依據。

未來我們將去往哪裏？月球科研站和基地將在哪裏建設？要更好地回答這些問題，都需要我們進一步深刻認識月球物質類型及其分佈。

TOP 4：

在月球的哪裏能找到水？

由於月球極區永久陰影區無法被太陽光照到，温度極低，因此科學家很早就猜測那裏可能存在水冰。1994年克萊門汀號雙基雷達實驗發現月球極區可能存在水冰。2010年月球隕坑觀測與傳感衞星（LCROSS）撞月實驗證實月球極區存在水冰。

今天的世界各航天強國都計劃對月球南極開展水冰探測。月球極區水冰如何分佈？來源於哪裏？儲量有多少？這不僅是重要的科學問題，也關乎到未來月面長期駐留的水資源提取和利用。

毫無疑問，未來的月球探測中，水冰探測仍將是最重要的方向。

TOP 5：

月球具有怎樣的撞擊歷史？

月球是研究內太陽系撞擊歷史的天然實驗室。它表面佈滿了撞擊坑，記錄了其形成以來所遭受的小行星撞擊歷史。不像地球上的撞擊坑都被後期地質過程所掩蓋，月球幾乎保留了完整的撞擊記錄，那麼，月球具有怎樣的撞擊歷史呢？是否在39億年前發生過一次大撞擊事件呢？此外，由於小行星撞擊的強度和頻率隨時間總體上是降低的，因此撞擊坑分佈密度可用於測定月殼不同地質單元的年齡，但是，月球的撞擊歷史阿波羅樣品主要採集自30-40億年的地體，因此難以準確測定30億年以來的年輕地質體，因此，如何通過撞擊坑獲取更加精確的月球表面年齡也是未來需要解決的問題。

TOP 6：

月球內部是什麼樣的？

通過阿波羅樣品和遙感探測，科學家對月球的表面有了基本的認識，但是這些手段都“看”不到月球的內部。阿波羅時代採集的月震數據僅對月球的宏觀內部結構有了一定的約束。但其精度和準確度受到了儀器性能的限制。

深部月幔和月核的結構是什麼樣的？我們還基本一無所知。最近，通過聖盃號（GRAIL）獲得重力數據，科學家計算獲得了全月平均月殼厚度在34~43公里。除此以外，幾十年以來，我們對於月球結構的認識基本沒有進展。

未來，想要在這個問題上取得重大突破，必須在月面不同區域佈設足夠數量的高精度月震儀。

TOP 7：

空間環境是如何影響月球的？

由於沒有內稟磁場的保護，月球運行中太陽輻射、太陽風和宇宙線均可直接到達月面，與月壤、月表剩磁相互作用，形成特有的近月面空間環境。這種空間環境與固體行星之間的相互作用所涵蓋的科學問題包括：太空風化如何改造月壤？月球上渦旋狀的亮斑如何形成？月球內稟磁場何時消失？為何消失？月表電場如何影響塵埃和帶電粒子的遷移？等。研究成果發表於《岩石學報》（張騰飛，王燕海，楊蔚**，劉洋，吳登生，吳偉，魏勇，林楊挺，李獻華. 2023. 基於文獻計量的月球科學前沿研判. 岩石學報，39(10): 3169-3183, doi:10.18654/1000-0569/2023.10.19）。該成果受中國科學院學部前沿交叉研判研究項目（XK2022DXC004）和國家自然科學基金科技活動項目（L2224032）聯合資助。

本文經授權轉載自微信公眾號“中科院地質地球所”。校對：張騰飛（地質地球所）。

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