揭示月球地幔热不对称性：基于月度潮汐响应的最新研究

月球作为地球最亲密的天体之一，其内部结构一直是天体物理和行星科学领域研究的重点。近年来，随着NASA重力回收和内部实验室（GRAIL）任务的顺利完成，科学家们获得了月球引力场的高精度数据，利用这些数据解析月球内部结构的细节成为可能。2025年发表在《自然》杂志上的最新研究揭示了月球地幔存在明显的热不对称性，这不仅刷新了我们对月球深部结构的认识，也为理解月球演化历史和地质活动提供了重要线索。 月球的轨道特性导致其每月受到地球引力的周期性潮汐作用，这种月度潮汐响应可以反映月球内部的物理性质和结构特征。传统观念认为月球的内部在整体上可以近似为球对称体，但通过分析月度变化的引力场，研究团队发现了月球近侧与远侧地幔在弹性剪切模量方面存在2%至3%的显著差异。这种差异意味着月球地幔的物理状态并非均匀分布，而是呈现出明显的热结构不对称。

来自GRAIL探测器的高分辨率引力数据使研究者能够推断出月球的多阶潮汐Love数，尤其是度数为3的Love数k3，其估计值为0.0163±0.0007，比传统球对称模型预测值高出约72%。这一巨大偏差表明，月球内部存在深层次的横向非均匀性。通过对这些Love数的逆推算，科学家们确定了产生该差异的原因主要是地幔多层次的热性质差异。 研究指出，近侧地幔可能比远侧地幔温度高出100到200开尔文。该热异常可能是由地幔中放射性元素如钍、镭以及钾等含量更高引发的，这与月球近侧表面火山玄武岩区的形成时间和分布高度相关。热异质性的存在可以解释月球表面玄武岩马雷区的成因，同时与深层月震的空间分布具有内在联系。

数据分析过程中，研究团队排除了通过成分差异（如铁含量或水含量变化）来解释局部剪切模量变化的可能性。因为成分差异若显著，必然导致月球质量分布的改变，从而产生远大于实际观测到的月球质心与形心偏移（COM-COF）差异。相比之下，温度梯度引发的弹性模量变化合理地符合已知的重力及形貌观测数据。 此发现对于理解月球长期的地质演化尤为重要。三至四十亿年前月球近侧高放射性热元素的积累，促使该区地幔保持较高温度，导致部分熔融持续存在。这不仅触发了火山活动和表面玄武岩填充，还影响了地壳厚度和地质构造的演化。

随着时间推移，月球内部温度逐渐降低，部分熔融区域向更深处迁移，形成了目前推断的位于约800至1250公里深度的热异常区域。 另外，月球深层热异常也与深部月震的分布密切相关。太少的熔融能够引发应力集中，增强脆性破裂可能性，从而形成月震信号。相反，过高的温度可能使岩石表现出较高的塑性，抑制地震的产生。这种热状态的差异或许导致了近侧和远侧月震活跃度及深度的差异。目前的数据仍无法完全解答该问题，未来搭载于阿尔忒弥斯三号任务及往后探测月球远侧的地震仪器，将有望揭示更多惊人发现。

对月球地幔热结构异质性的识别标志着行星潮汐响应遥感成像技术的重大进展。不同于需要登陆设备的地震探测方法，利用轨道器进行高精度重力测量并结合潮汐响应分析，可以实现对天体底层结构的非侵入式探测，开辟了“潮汐层析成像”研究新途径。未来，这种技术在火星、木卫三及土卫二等具备潮汐作用的行星及卫星研究中将发挥重要作用。 科学家们通过精细的数值模拟方法，如Markov链蒙特卡洛推断结合半解析频谱方法（LOV3D），成功解析了复杂的三维内部结构变化对Love数的影响。这些方法实现了对地幔剪切模量空间效率的量化估计，并结合地质、地震和重力观测数据提升了模型的可信度。此外，对比分析了不同层的弹性参数、温度和组成对观测数据的适配性，进一步验证了热异质性假设的合理性和优越性。

值得注意的是，研究发现月球低速区（LVZ）可能含有部分液态岩浆，其表现为弹性剪切模量的显著降低。LVZ的存在与月球潮汐Love数的整体增强相一致，表明部分熔融体在月球内部演化中扮演着关键角色。这不仅调控了热结构的分布，也导致了月球整体地质活动和地震现象的复杂性。 月球近侧–远侧热异质性的持续存在，也对未来月球科学勘探提出了新要求。随着月球探测技术的进步，持续获取高分辨率的月球引力场和地震数据，将帮助科学家们更准确地描绘月球内部的复杂热-物理状态，以及了解地幔各层次对地表特征和地震活动的具体影响。同时，这为月球资源开发及未来人类探月计划的安全保障和科学设计提供了坚实的理论基础。

总结来看，GRAIL任务的开创性成果极大推动了月球内部科学研究的发展，特别是通过月度潮汐响应发现了月球地幔的热不对称性。这一发现不仅加深了人类对月-地系统相互作用的理解，也为探究全太阳系其它行星和卫星的内部结构提供了新范式。未来的探测和理论研究将继续围绕这一核心问题展开，期待为揭示月球以及其他类地行星的起源与演化解锁更多谜团。