月球中心（月核）的密度比月幔低嗎？

網上看到阿波羅登月所作的月震實驗發現：當登月艙被拋棄在月球表面的時候，設置在 72 公里外的地震儀測得月表超過 15 分鐘的震蕩，似乎表明月球的中心有較小的密度。此事是否是真實的？NASA 有沒有通過月震得到的月球內部密度構造的數據？

謝 @阿木林 邀。

這個問題可以拆分成三個問題，一個一個來。

1. 網上看到阿波羅登月所作的月震實驗發現：當登月艙被拋棄在月球表面的時候，設置在72公里外的地震儀測得月表超過15分鐘的震蕩，似乎表明月球的中心有較小的密度。此事是否是真實的？

有這麼個事兒，但細節已經有了諸多失真的地方。準確的事情是這樣的（Apollo Lunar Surface Experiments Package）：

故事發生在阿波羅12號完成任務宇航員回到登月艙（LM），登月艙返迴繞月軌道和指揮/服務艙對接之後，把LM的上升級重新丟回去，在距離著陸點72公里處砸出了一個9米的撞擊坑（此處鳴謝@徐藝哲糾正）。其實，阿波羅11號和12號的設計時只安裝了被動型月震儀，就是能被動觀測月震波，而難以知道月震發生在哪裡，有多大……所以這次衝擊意外地成為了第一次被被動型月震儀觀測到的主動型、人工月震。既然是首次，那麼觀測結果出人意料也不是什麼奇怪的事兒，因為我們那時候對月球還不了解嘛。確實當時NASA發現……這震動持續的時間也太長了吧！超過了55分鐘！比地球上的地震波持續的時間長多了。

阿波羅12號的月震儀觀測到的這次衝擊造成的月震波信號，縱坐標表示強度。LM是登月艙（Lunar Module）的縮寫，所以這次撞擊被稱為LM impact（來源：Apollo Lunar Surface Experiments Package）

由於撞擊源距月震儀只有72公里，接收到的月震波根本不可能是經過月球內部深處再折射回來的，因此也就不可能和深部密度有什麼關係。更長的衰減時間只說明了月震波在表層的衰減得更慢而已，研究者們通過對阿波羅11號採樣返回的月岩樣本進行分析，發現月岩比地球上的岩石要乾燥得多，因此月震波傳播時受到的阻力很小，衰減自然就慢得多了。後來的多次人工和天然淺層月震也發現了類似的現象，說明這是月表本身的性質決定的，並不是什麼奇異現象。

多說一句，而真正意義上的第一個主動型月震儀，是阿波羅14號安裝的，不過很悲劇的是當時設計的四個爆破裝置一個都沒爆成……只有敲擊式成功了……然後第一次成功的主動型爆破月震……直到阿波羅16號才實現（Apollo Lunar Surface Experiments Package | Wikiwand）。

2. 月球中心（月核）的密度是低於月幔的嗎？

不是。

理論上，比較大（直徑大於1000km）的岩質天體在最初形成的時候，會發生熱分異。也就是在內部放射性元素衰減和外界密集的撞擊之下被不斷地加熱之後，較大的岩質行星接受的熱量足以熔融自身，「分離」行星內部的物質。結果是，較重的元素（比如鐵和鎳）向中心「下沉」形成內核；相對較輕的硅酸鹽成分就「浮」上來形成原始幔層，最終形成從外到內密度逐漸增大的「殼幔核」分層結構。

我們認為，內太陽系的五個大型岩質天體：水星、金星、地球、火星和包括月球，應該有著相似的形成和演化過程，它們都經歷過熱分異、都有核幔殼的分層結構，外層以硅酸鹽成分為主、內核以鐵鎳合金為主。當然，實際的分層情況更加複雜，遠不止簡單的核幔殼三層。

行星熱分異過程。製圖：haibaraemily

實際觀測中，雖然我們並沒有也不能真的掘地幾千公里（地球也不行）來驗證這個模型，但通過地/震波在不同密度的介質中傳播速度不同這一特點，我們可以通過地/月震波數據來反算的地球和月球的內部結構，而目前實際探測到的地球和月球內部結構都是符合這個分層模型的。對於其他沒有地震數據的天體（水火金星），目前為止重力場數據的觀測結果反演的粗略內部結構也沒有和這個分層模型相衝突，所以我們目前可以認為這個模型確實可以表示大型岩質天體的內部結構特點。

3. NASA有沒有通過月震得到的月球內部密度構造的數據？

有。

目前結合阿波羅號的月震數據和月球探測器的重力數據獲得的月球內部密度構造模型，我們認為月球薄薄的月殼下面，至少有有上月幔、中月幔、下月幔（部分熔融層）、液態外核和固態內核這幾個分層，但由於阿波羅號四台月震儀都位於近月面低緯地區，所以能觀測到的月震比較有限，所以我們對下月幔和月核的深度和密度還是有很大的不確定性，常常需要綜合參考重力場低階項數據來綜合約束。

目前認為的月球內部波速和密度隨深度的（粗略）關係(Weber et al., 2011)；（左）月球內部結構（Wieczorek et al., 2006）（右）。近月面四個綠色點（A12/14，A15，A16）表示阿波羅號安裝的四個月震儀的緯度。

鳴謝 @summer ice 教我好多東西~

參考文獻/鏈接

• Weber, R., C., Lin, P., Y., Garnero, E., J., Williams, Q., Lognonné, P., (2011) Seismic Detection of the Lunar Core. Science 331, 309. DOI: 10.1126/science.1199375
• Wieczorek, M.A., B.L. Jolliff, A. Khan, M.E. Pritchard, B.P. Weiss, J.G. Williams, L.L. Hood, K. Righter, C.R. Neal, C.K. Shearer, I.S. McCallum, S. Tompkins, C. Peterson, J.J. Gillis, B. Bussey (2006), The Constitution and Structure of the Lunar Interior. Reviews on Mineralogy and Geochemistry, , v. 60, p. 325
• LPI: Lunar Mission Timeline