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「寧靜海石」只應月球有?非也–澳洲西部也找到

臺北天文館_96
・2012/01/16 ・1195字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

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人類天性好奇,驅策我們想知道,地球以外的世界,是否還有些新鮮事物我們尚未探索。因此,當採集自月球表面的岩石首度隨阿波羅11號太空人返航地球時,地質學家樂翻了,因為他們果然發現了特殊礦物:鎂鐵鈦礦、三斜鐵輝石和「寧靜海石」(它其實應該叫做「矽鈦鋯鐵礦」,因發現於月球的「寧靜海」盆地而得到「寧靜海石」這美美的名字)。那時候,科學家以為這些礦物專屬於月球才有。然而經過幾十年研究,卻發現:除了寧靜海石以外,另外二種礦物,在地球上也都已經找到了,唯獨只剩下這很特別的「矽鈦鋯鐵礦」,還悶不吭聲堅持著「月球獨家」,不過,最近這個沉默也終於打破。

位於澳洲西部第一大城伯斯的Curtin大學古生物學家Birger Rasmussen研究團隊在Geology刊出的論文中說,在好幾個位於西澳的偏遠地點,他們已發現了「寧靜海石」,雖然所發現的礦物體積小到不能再小:寬度不超過一根頭髮粗,長度僅僅只有幾微米,但成分卻是如假包換的矽鈦鋯鐵礦。更重要的是,矽鈦鋯鐵礦/寧靜海石,不僅只是在地球上「找得到」,它可能相當普遍的存在地球上,至少,較原先所想像中更加來得普遍!

Rasmussen 告知澳洲媒體說, 「1970年代各種由阿波羅11號帶回地球的月球岩石標本或月球殞石裡,除寧靜海石以外,現在已經證實,是全部都在地球上找得到的,在此之前,寧靜海石是那批樣本中,最後一種恐怕只有月球才有的礦物,然而,現在我們發現這種礦物在地球上的確也有,並且在西澳一共有6處地點都已獲證實。」

這種礦物為什麼一向未曾被發現呢?原因很多,構造極細而脆弱是其中之一。這種礦石成分包含鐵矽氧鋯鈦,和微量的釔(一種稀土元素),所以寧靜海石一旦曝露在自然環境中就會立即以鈾衰變方式迅速腐蝕。Rasmussen得到的證據說明:這些礦物質一向以來都存藏在地球上,若要問「之前為什麼都沒找到?」,答案應該是:「找得不夠認真啦」!

找這種寧靜海石有什麼特別方法呢?辨識它的方式是,把它放在高能加速電子束中,透過光譜資料來(和月球上的寧靜海石樣本組)對照。地球上的寧靜海石多呈紅褐色、細長板狀,叢集束出現,通常和發生在斜長石和暉石間隙裡斜鋯石,石英中的鈦鋯釷礦,及鉀長石等的後期交互生長密切相關。

這帶給我們一個新啟示,人類多了個好理由該盡量保留原始地區生態樣貌,不擅自加以破壞,「寧靜海石」雖然沒有什麼經濟價值,但這次研究中發現,它是一種和鈾鉛年齡測定法(U-Pb)一樣精確的地質年代計,地球上還有其他原始地區可能潛藏著同等重要的礦物-誰知道接下來我們又會發現什麼?(Lauren 譯)

圖片說明:長久以來大家都認定人類首次登月後從月球表面帶回來的礦石,是專屬於月球才有,如今科學家說:在西澳的岩石裡也找到一模一樣的成分,年齡測定的結果顯示,它在地球上的歷史,已有數十億年之久。圖片版權: Birger Rasmussen

資料來源:中研院天文網[2012.01.11]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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月娘你從哪裡來?月亮形成的新線索!關鍵就在隕石中?
linjunJR_96
・2022/09/07 ・2467字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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作為我們宇宙中的鄰居,以及夜空中最明亮的一盞燈,月亮自古以來便讓人類心生著迷。古人望向滿月的同時,想起了遠方的至親;天文學家望向滿月時,心中卻出現了另外一個問題:「月亮為什麼在那裡?」

月亮是從地球這邊「飛出去」的嗎? 圖/GIPHY

月球作為繞地球運轉的衛星,並不是和太陽系的其他行星一同形成。目前最受歡迎的月球起源說是所謂的「大碰撞」(The Giant Impact)。今年八月,在中秋節即將到臨之際,科學家在月球隕石中找到了來自地球內部的原生惰性氣體,為大碰撞事件的始末提供了全新的線索。

大碰撞起源:月球是從地球分出去的?

大碰撞學說認為月球是地球遭到撞擊的產物。

一顆與火星差不多大的天體和古代地球斜向碰撞,把地球撞得團團轉的同時,撞擊產生的巨大能量也將大量地殼與地函物質融化、蒸發、向外噴出。這些殘骸碎屑繞著地球高速旋轉,形成一個甜甜圈狀的雲狀區域。月亮便是由這團高溫物質互相吸引聚集而成。

大碰撞學說中,月亮形成的過程。圖/wikipedia

聽起來或許十分異想天開,但這個猜想可是經歷了許多實證考驗。

首先,一個最簡單的觀察是:現今月球公轉的和地球自轉方向一致。這是擦撞過程中「甩」出去的殘骸形成月球會有的現象。據我們所知,月球的公轉方向和轉速自形成後,便沒有太大改變。大碰撞學說通過了第一關!

在化學成分方面,同位素比例提供了有力的證據。同位素比例是指某種元素的同位素(例如氧元素可以分為氧 16、氧 17、氧 18)在物質中各占多少比例。這些同位素形成穩定的化合物後便不會變動,因此成為科學家追本溯源的重要工具。

也因此在天體地質研究中,地層中的同位素比例是每顆星體獨一無二的指紋,太陽系中每顆星體都有相當不同的氧同位素比例。不過,科學家在二十世紀初期,檢驗了阿波羅十三號帶回的月球岩石樣本。其中,氧同位素比例竟然和地球一模一樣,強力暗示了月球物質和地球有著神聖不可分割的淵源。

除此之外,許多地質證據顯示月球在形成初期,表面是高溫的熔融態,符合大碰撞的說法。類似的撞擊事件也曾經在其他星系被觀測到。

種種證據使大碰撞學說成為最受歡迎的月亮起源說。 圖/wikipedia

六個月球隕石,可能解開月球原生惰性氣體之謎

如今,月球物質是來自古代地球這件事已被廣為接受,但詳細的形成過程究竟是如何,仍持續隨著觀測證據的增加而不斷地修正討論。目前的一個疑點是揮發性物質的存在。

大碰撞時的高溫理應讓大部分的揮發性物質(例如水和二氧化碳)揮發殆盡,但在月球深處的原始岩層中找到的水樣本,和地球地函中的水有同樣的氫同位素指紋,表示這些水或許是「原生」的,在撞擊形成時便一直留存至今,而不是來自外部的隕石。

要研究揮發性物質的源頭,氦或氖這類的惰性氣體的同位素指紋,便是重要的追蹤工具,可惜我們一直未能在月球礦物中找到惰性氣體。由於月球大氣層十分稀薄,外來的小行星以及富含氫氦原子的太陽風持續轟炸月球表面。想對原生惰性氣體進行研究,還得先排除這些外來汙染的可能。

蘇黎世聯邦理工學院的 Patrizia Will 所帶領的研究團隊,以南極拾獲的六個月球隕石作為研究對象。這六顆隕石皆為玄武岩材質;也就是說,它們是由月球內部的岩漿快速凝結而成。形成後,它們受到更上層的岩層保護,免於宇宙射線和太陽風的高能輻射。這六塊岩石很可能是在某次大型隕石撞擊中,才從月球的岩漿流中被撞擊而出,並在漫長的旅途後抵達地球。

光學顯微鏡下,含有原生惰性氣體的月球玄武岩隕石 LAP 02436。圖/ETH

要取得隕石的同位素指紋資訊,需要用到質譜儀。這份研究使用的質譜儀靈敏度極高。實驗室人員曾經為了防止外界振動干擾,將它懸掛在天花板上,並為它取名為「Tom Dooley」。Tom Dooley 是美國內戰時期民謠中因謀殺被判處絞刑的人物。

儘管取名的來由十分詭譎,但是這座 Tom Dooley 質譜儀威力十足。它是世界上唯一能夠測量如此微量惰性氣體的儀器,也曾負責分析地球上最古老的物質——高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

目前發現地球上最古老的物質,高齡七十億年的默奇森隕石(Murchison meteorite)。

研究團隊將隕石中的黑色玻璃微粒用 Tom Dooley 進行分析,嘗試找出當中各種同位素的比例。它們在玻璃微粒中發現了存量遠高於預期的氦和氖。從岩石的形成歷史以及同位素特徵中,他們排除了太陽風或小行星汙染的可能,而氖同位素的比例則和地球地函的深處不謀而合。

這些證據表示這些惰性氣體是直接來自地球的地函。這是首次在月球內部礦物中發現地球原生的惰性氣體,研究結果發表在 Science Advances 期刊中。

這次的發現為大碰撞學說再添一筆證據。往後的研究將繼續挑戰較難測量的氪和氙元素,以及其他容易揮發的鹵素元素等等,藉此追蹤揮發性物質在月球形成的歷史中,究竟是如何存活下來。

美麗的月亮,神奇的月亮,還有許多問題待我們繼續發掘。 圖/GIPHY

參考資料

  1. Will, P., Busemann, H., Riebe, M., & Maden, C. (2022). Indigenous noble gases in the Moon’s interior. Science advances8(32), eabl4920.
  2. One more clue to the Moon’s origin

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如果天空少了月亮,地球會怎麼樣?——《有趣的天文學》
麥浩斯
・2022/04/25 ・1477字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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如果天空少了月亮?文學家應該會很難過,音樂家也會少了創作的題材,沒有中秋節就少了月餅,也沒有烤肉。不過夜晚少了一個大光害,天文學家絕對會很高興!

潮汐變小、一天變短

地球上的潮起潮落,主要是月球繞地球運行造成的。太陽也會影響地球的潮汐,不過對地球的潮汐力只有月球的 46%。如果沒有月球的話,造成地球潮起潮落就只剩下太陽,滿潮和乾潮的幅度就會變小。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。數十億年前,地球剛形成時,地球自轉的速度比現在快許多;因為月球的潮汐力,讓地球自轉的速度漸漸變慢,慢到現在的一天 24 小時。如果沒有月球,地球的一天可能不到 10 小時。

月球讓地球產生的潮汐,使地球愈轉愈慢。圖/Pexels

左搖右晃的地球

月球就像是走鋼索的人握的平衡桿,讓地球自轉軸保持穩定,如果少了月球這個平衡桿,地球自轉軸左搖右晃的幅度就會變大。

目前地球自轉軸相對於公轉平面的傾斜角是 23.4 度,因為月球的存在,這個傾角的變化幅度不大,大約在 22.1 度和 24.5 度之間。傾角讓太陽直射地球的位置在北回歸線和南回歸線間移動,讓地球出現四季變化。

如果沒有月球,地球的自轉軸變動的幅度就會變大,自轉軸的變動會對我們有什麼樣的影響?假設兩個極端的例子,地球的自轉軸傾角是 0 度和 90 度。

如果地球傾角是 0 度,太陽永遠直射赤道,地球上不會有北回和南回歸線,地球將不再有四季變化。

如果地球傾角是 90 度,太陽直射的區域會從北極到南極,也就是北回歸線位在北緯 90 度(也就是北極點),而南回歸線在南緯 90 度(南極點)。這種情況下,地球四季變化會非常劇烈,北半球夏天時,北極不會結冰,溫度比現在還高,南半球冰凍的區域比現在還大,這種極端氣候絕對不利現在地球上生物的生存。

未來人類可能先在月球建立基地,作為人類前進火星的跳板,在月球上測試火星裝備和訓練太空人,準備完成後再前往火星。如果少了月球的整備演練,要一步登陸火星將會困難重重。圖/麥浩斯出版

月球替地球擋子彈

月球是地球的衛星,一直以來它都保護著我們的地球。用望遠鏡看月球,會發現月球上有許多坑洞,這些坑洞幾乎都是隕石撞擊後形成的隕石坑,表示月球在早期受到許多的撞擊。如果少了月球擋下這些隕石,這些隕石可能就會撞上地球。

隕石撞擊對地球的生命影響很大。6600 萬年前,一顆 10 公里左右的隕石撞擊地球,造成恐龍滅絕。恐龍滅絕後,哺乳類才能興起,人類才有機會出現在地球上。

那些沒有被月球擋下的隕石,如果撞上地球,可能會改變地球物種的演化,人類說不定就不會出現在地球! 最後,如果沒有月亮,阿姆斯壯和另外 11 名阿波羅太空人也就無法登陸月球。人類少了探索月球的寶貴經驗,要直接踏上其他行星表面(例如火星),難度會高許多,甚至變得不可能!

——本文摘自《噢!原來如此 有趣的天文學》,2022 年 3 月,麥浩斯出版

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真的只能看到半面月球嗎?一起來揭開神秘的月球面紗吧!
Mia_96
・2021/06/11 ・2540字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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2021 / 05 / 26 的月全食景象,一顆血紅色的月球在東方出現,無論是在家觀看,或是跟著天文館轉播的景象,都成為五月必看的天文景象之一。過去我們抬頭欣賞月亮時,總是認為我們只看的到月球的一面,另外一面站在地球上的我們永遠無法目睹。

我們通常認為位在地球的觀測者只能觀測到月球半面的亮面。圖/envato elements

但,我們真的只能看到一半的月球嗎?

只能看到半面月球的原因——潮汐鎖定

月球屬於地球的衛星,從月球形成以來,便圍繞著地球旋轉,因為地球自轉產生月球的東升西落,也因為月球的公轉,造成每個月我們所看到新月、上弦、滿月、下弦。

從過去的經驗中,我們知道當我們位在在地球上時,人們永遠只看的到月球的半面!代表月球的自轉與公轉速度相等,月球繞地球公轉一圈,同時也才自轉一圈,所以月球才會一直以同一面面向地球!這個現象又稱作「潮汐鎖定」。

潮汐鎖定的原因,是因為月球繞著地球公轉時,同時也受到地球潮汐力作用(地球也受到月球潮汐力影響,所以我們的海水才會有潮起潮落的現象!),但因月球表面本身並沒有海洋,地球的引力直接影響到的為月球內部不規則的質量分布,將面向與背向地球的月球兩端逐漸形成類似橢圓球體的形狀。

為了方便理解,我們把受地球潮汐力影響的橢圓月球簡化成一個槓桿,若地球潮汐力方向與月球槓桿平行,則不會影響月球自轉(如下圖綠色所示),反之,則會被潮汐力影響而改變自轉運動(如下圖紅色所示),且最終會回到綠色狀態。

潮汐鎖定示意圖,圖中黑色圓形為地球,大圓為公轉軌道,小圓為自轉軌跡,綠色代表月球不受潮汐力改變自轉的狀態,紅色則是月球受潮汐力影響改變自轉的狀態。圖/wikipedia

在地球潮汐力的持續作用下,不同位置的月球將全部變成綠色狀態,此時,月球的自轉速度會與公轉速度會相等,且永遠以同一面面向地球,就像是月球被地球鎖定一樣。

其實不只是月球會產生潮汐鎖定,在過更久的時間之後,地球也會受到月球影響而被月球潮汐鎖定,但因為地球本身的質量比月球大太多太多了,所以可能直到太陽繼續演化成紅巨星,吞噬太陽系後,地球都還不會達到潮汐鎖定的現象。

雖然地球與月球兩個天體並沒有相互達到潮汐鎖定,但太陽系中的外側天體:冥王星和其衛星—凱倫已經彼此達到了潮汐鎖定的現象!所以冥王星永遠會以同一面面向凱倫,而凱倫也永遠會以同一面面向冥王星。

冥王星背對冥衛一的一面(左)和朝向冥衛一的一面(右)(2015 年 6 月 27 日)。圖/Wikipedia

潮汐鎖定的原理,也被我們應用於人造衛星的軌道設計中,部分人造衛星繞著地球的公轉週期和地球的自轉週期相等,使人造衛星可以一直觀測地球同一個地方,從地球上看,衛星便會像沒有移動一般一直在相同地點的上方,這樣的衛星就被稱為「地球同步衛星」。

地球同步衛星因為一直在相同地點的上方,所以可以對同一個區域做長時間的觀測並獲得資料,也可以幫助我們了解區域中天氣系統的演化與移動情況,以東亞為例,便有日本所發射的地球同步衛星「向日葵」來獲得大氣中的資料。

有沒有機會看到更大的月球表面呢?

但其實,上面的解釋僅代表著很理想的狀態,受到月球軌道運動、觀測者所在位置、物理條件等等因素,都使我們觀測的月球其實擁有上下左右晃動的現象,所以我們真正可以觀察到的月球,其實大概佔了表面的 59%!而這種現象,我們將它稱為天秤動!

天秤動可以分為兩大類:幾何天秤動與物理天秤動。

幾何天秤動代表的是觀測者位置與月球間的關係之變化。例如月球繞著地球公轉時,也有近地點與遠地點,當月球走到近地點時,月球的公轉速度較快;走到遠地點時,月球的公轉速度較慢,但無論公轉周期的快慢,月球的自轉速度皆相似,這時公轉與自轉速度產生些微差異,我們便可以觀察到月球東西兩側多一點點。

而在地球上的觀測者也會影響著可以觀測到的月球盤面,觀測者所位在的地球也有自轉現象,當地球自轉時,觀測者同時也在移動(只是因為我們就站在自轉的地球上,所以感受不到),這時便可觀測到多一點的東西兩側月球。如果觀測者所在的緯度不一樣,也有可能觀測到南北兩側多一點點的月球。

月球地球因為相對位置不停變化,
間接造成地球觀看到的月球表面也有些微差異。圖/envato element

物理天秤動造成的影響相對就較小一點,物理天秤動代表的是月球真正擺動產生的效應!因為月球本身並非正球體,其三軸本身便不等長,所以在轉動時,其各地的旋轉速度其實會產生些微差異,但因為物理天秤動造成的影響相對較小,通常我們較不會考慮其帶來的影響!

更多的月球外,還有看似大小相異的月球!

除了實際上人類可以觀測到 59% 的月球外,為什麼有時候我們又會覺得月球特別大呢?其中一個原因就是跟上面提到的近地點遠地點相互關係!假設今天月球剛好公轉到近地點而遇到滿月時,地球的觀測者就會覺得月球變的好像比較大顆,但其實月球的大小從頭到尾都沒有改變過!

自古以來月球便是人們好奇、追尋的夜空天體,透過不同的天文景象與科學家的努力,都讓我們對月球有更進一步的理解,下次有機會,記得抬頭欣賞這顆銀白天體!

參考資料

  1. 台北市立天文科學教育館
  2. Youtube – 李永樂老師,月亮為什麼總是一面朝向地球
  3. 月球天平動
  4. 蕭俊傑,人造衛星的軌道
  5. 潮汐鎖定 – 維基百科,自由的百科全書
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