了解月球，從探測地球開始

       人類最了解的行星，大概就屬地球了，它的構造像顆雞蛋，而我們所站立的地球表面雖然堅硬，但相對於地球來說，地表這幾十公里其實不過就像「蛋殼」般薄薄一片；而在地殼之下，則是密度較大的岩石所組成的地函，它就像雞蛋裡的「蛋白」般；至於地球中心的「蛋黃」位置，則是由高溫的鐵鎳（液態）等金屬所組成。

       或許有人會好奇，如何探測出這些結構呢？其實，天文學家是從觀察地震開始著手，由於地震波在地球內部傳遞能量時，會因不同密度的物質而改變地震波的方向與速度，甚至造成震波折射或反射。因此地震發生後，研究各地的地震紀錄就可以了解地球的構造了。


       許多行星普遍都有這種「雞蛋」構造，如火星、金星，甚至是本文探討的主題──月球，它的內部結構也是如此。以月球來說，其內部可分為月殼、月函以及核心三部分。月球直徑約三千五百公里，核心只有約三百公里，約僅占月球質量的
1％∼3％。相較於地球核心約占了地球質量的
30％，月核顯得非常的小；而月函是月球的主要部分，其厚度約一千多公里，占總體積的六分之五左右；月殼就是我們所看見的月球表面，平均厚度約六十五公里，主要分為黑色區域的月海註1與白色區域的高地。


       過去，天文學家在研究月球構造時，也曾想「依樣畫葫蘆」，打算利用「月震」（即月球的地震）來測量月球的內部構造，因此月球上也有地震儀！從
1969
年太空人首次登陸月球執行任務開始，太空人都會在月球上安裝地震儀，這些地震儀即使在太空人離開後，還是能以無線電將訊號傳回地球，儀器紀錄最長可持續八年。然而，研究月震比地震困難多了，這些儀器不但要抵抗月球上的惡劣環境，再加上月震強度相當微弱，因此儀器所測得的數據難以精準。此外，這些儀器幾乎都安裝在月球的正面，資料取樣不足，使得天文學家在分析月球內部構造時困難重重。

       除了利用地震儀測量月球內部構造外，天文學家也可以隔空探測月球內部。這是因為月球內部的質量會影響重力場註2，當太空船經過質量很大的區域時，移動速度會被拉慢，因此追蹤繞月太空船的軌道，即可初步探測月球內部的物質分布，例如
1998 年美國太空總署發射「月球探勘者號」太空船，其中的一項任務就是研究月球的重力場，這些測量數據都使人類對月球構造有更深層的了解。

月球 VS. 地球　超級比一比

       在太陽系眾多衛星之中，月球可說特別與眾不同，因為它特別的大註3！月球與地球的質量比，是太陽系所有的衛星與行星中數值最大者，約為
1.23％，因此月球實際上並不是直接繞著地球轉，而是拉著地球一起繞著彼此間的質量中心註4運轉喔！

       月海由玄武岩所組成，這是一種含鐵量高的火成岩；至於月球高地則多由含鈣、鋁的斜長石所組成，此外還含有一種地球上沒有的礦物
KREEP（或稱為克里普岩），其成分以鉀（K）、磷（P）、稀土元素（REE）為主。這種岩石是岩漿冷卻時，密度較輕且具揮發性的物質浮在岩漿上層分離而結成的，由於高溫融化時，密度不同的液體會分離成層，因此KREEP
的存在，不啻暗示著：月球生成時，曾發生大規模的高溫融化。

       其實，月球正面與背面外觀是迥然不同的，但因月球公轉與自轉的週期相同，導致人們往往只熟悉月球正面，而月海又占了月球正面的一半，月海的朦朧令我們想像出玉兔在上面擣藥的故事情節，但月球背面可就沒那麼浪漫了，那裡充滿了隕石撞擊的坑洞，而且月海極少，幾乎盡是高地。此外，月球正反兩面的地殼厚度也不一樣，正面約五十公里，但背面則厚達七十四公里。為何會如此呢？這個問題長久以來不斷困擾著研究月球的天文學家。

       1970
年代，天文學家為了了解月球的起源，曾著手研究太空人從月球帶回來的岩石，結果發現月岩缺乏揮發性高的元素，例如鉀只有地球的五分之一，因此他們認為月球誕生時應該曾歷經高溫的熔化過程，使得揮發性高的元素散逸到太空。另外，月球的重金屬較少，鐵的比例只有太陽系行星平均值的四分之一，這些都是月球岩石與地球岩石的不同之處。

       不過月岩也有與地球岩石相同的成分，例如兩者的氧同位素比例註5相當！由於太陽系各星體都是從同一個星雲形成，氧同位素的比例在不同區域的雲氣並不相同。也就是說，月球與地球的氧同位素比例相當，表示月球與地球應該是在相鄰之處形成的。

四大起源論，你相信哪一種？

       月球究竟是如何形成的呢？天文學家對此提出了不少說法，從最早期的「分裂說」、「俘獲說」、「共生說」，到最戲劇性的「撞擊說」，雖然莫衷一是，但卻在推論與研究的過程中，漸漸增加人類對於月球的了解，因此這四種說法，其實各有它們的價值與意義呢！

分裂說

       「分裂說」是月球生成論中最早的說法，它是由十九世紀末的喬治‧達爾文所提出（其父為提出演化論的達爾文），他認為月球是由地球分裂出來的，因為早期地球處於融化狀態時，由於自轉速度較快，加上太陽引力造成拉扯，部分物質脫離地球，最後形成月球。這種說法頗受當時天文學家好評，甚至有人認為廣大的太平洋區域就是分離處，海底應該會有大坑洞。不過研究後發現，太平洋海底不但沒有凹洞，地質也非常年輕，再加上早期地球的自轉速度也不可能快到足以拋出部分物質，因而此一說法便慢慢沉寂了。


俘獲說

       「俘獲說」流行於 1960
年代，支持這個理論的天文學家認為月球是從別處形成的小行星，因碰巧經過地球附近而被留置下來。聽起來有些不可思議，但在太陽系裡的確是有可能的，例如火星的兩顆衛星、木星與土星附近的小衛星等，都可能是被「俘獲」而來的。不過此一說法有個大問題──月球體積這麼大，單憑地球之力，要抓住它實在不太可能；此外，這個說法也無法解釋為何地球與月球的氧同位素比例相當，以及月核特別小的問題。

共生說

       為了解決地、月的氧同位素比例相當的問題，天文學家認為或許地、月是同時同地形成，因此他們根本就是雙胞胎，不過既然他們是雙胞胎，那麼月核與地核比例為何不同？此外，月球為何不像地球那般擁有揮發性高的元素呢？是故這個理論依舊無法說服大部分的天文學家。


撞擊說

       在 1980
年代，天文學家開始利用電腦來模擬宇宙生成的種種問題，他們提出了一個最戲劇化的理論──大撞擊。天文學家認為在四十五億年前，太陽系的雲氣生成後，不斷有小行星從小塵埃中誕生，小行星彼此之間再透過撞擊，結合成更大的星球。推測當時有一個火星般大小的星球撞上早期地球，撞擊的碎片在地球附近環繞，最後這些碎片再漸漸形成今日的月球。


       天文學家認為當時撞上早期地球的星體，體積只有早期地球的十分之一，而且它是從四十五度角，以每秒不到五公里的「慢速」撞擊地球，地球這才得以逃過被毀滅的命運；而在撞擊發生後，「肇事」星體的金屬核心就進入了地球內部，而地球被撞出的內部地函物質，以及被撞得四散的外層岩石，便形成了月球。

       這說法解釋了月核為何較小（因為它不像地球被行星撞擊後侵入內部），也因為它是由被撞擊出來的碎片所形成，因此揮發性高的元素大多在高溫下散逸了，這個說法同時也解釋了地球與月球岩石來源相同，以及氧同位素的問題。

小月球的生成與毀滅

未來研究，拭目以待

      
月球可說是除了地球以外，人類最熟悉且研究最徹底的星球了，它的起源與歷史充滿戲劇性。其實天文學家迄今仍不停地探索月球，就在今 年 9 月 10
日，美國太空總署才發射了「聖杯號」（GRAIL）太空船，執行探測月球任務，目的是為了測量月球重力場和地質結構。未來說不定天文學家還會發現更多月球不為人知的身世之謎呢，我們不妨拭目以待吧！