Một nghiên cứu mới cho thấy một vụ va chạm cổ xưa trên cực nam của mặt trăng đã làm thay đổi các mô hình đối lưu trong lớp phủ mặt trăng, tập trung vào một nhóm các nguyên tố sinh nhiệt ở phía gần. Những yếu tố này đã đóng một vai trò trong việc hình thành vành móng ngựa mặt trăng rộng lớn có thể nhìn thấy từ Trái đất. Tín dụng: Matt Jones

Nghiên cứu mới cho thấy tác động từ Lưu vực Nam Cực-Aitken của Mặt Trăng có liên quan như thế nào đến sự tương phản hoàn toàn về thành phần và diện mạo giữa hai mặt của Mặt Trăng.

Khuôn mặt mà Mặt trăng hiển thị với Trái đất trông rất khác so với khuôn mặt mà nó ẩn ở phía xa của nó. Phía gần được thống trị bởi những người Ba Tư mặt trăng – phần còn lại rộng lớn, có màu tối của các dòng dung nham cổ đại. Mặt khác, phía xa đầy miệng núi lửa hầu như không có các đặc điểm rộng rãi của ngựa cái. Lý do cho sự khác biệt lớn giữa hai bên là một trong những bí ẩn lâu dài nhất của mặt trăng.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã có một lời giải thích mới cho mặt trăng hai mặt – một lời giải thích liên quan đến một vụ va chạm khổng lồ cách đây hàng tỷ năm gần cực nam của mặt trăng.

Một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Science Advances cho thấy tác động hình thành lưu vực cực Nam-Aitken (SPA) khổng lồ của mặt trăng sẽ tạo ra một luồng nhiệt khổng lồ lan tỏa khắp bên trong mặt trăng. Luồng này sẽ chứa một số vật liệu nhất định – sự kết hợp của đất hiếm và các nguyên tố sinh nhiệt – cũng như mặt trăng gần đó. Nồng độ các nguyên tố này có thể đã góp phần vào hoạt động núi lửa dẫn đến việc hình thành các đồng bằng núi lửa gần đó.

Các trầm tích núi lửa rộng lớn chiếm ưu thế ở phía gần của Mặt trăng (trái), trong khi phía xa (phải) chứa ít hơn nhiều. Lý do cho sự khác biệt lớn giữa hai bên là bí ẩn về mặt trăng vĩnh viễn. Tín dụng: Đại học Brown

Tiến sĩ Matt Jones cho biết: “Chúng tôi biết rằng những tác động lớn như tác động định hình SPA sẽ tạo ra rất nhiều sức nóng. Ứng viên tại Đại học Brown và là tác giả chính của nghiên cứu. Câu hỏi đặt ra là nhiệt độ này ảnh hưởng như thế nào đến động lực học bên trong của Mặt trăng. Những gì chúng tôi cho thấy là trong bất kỳ điều kiện hợp lý nào tại thời điểm SPA hình thành, nó sẽ tập trung các yếu tố sinh nhiệt này ở phía gần. Chúng tôi suy đoán rằng điều này đã góp phần làm tan chảy lớp phủ dẫn đến dòng dung nham mà chúng ta nhìn thấy trên bề mặt. “

Nghiên cứu là sự hợp tác giữa Jones và cố vấn của ông, Alexander Evans, một trợ lý giáo sư tại Đại học Brown, cùng với các nhà nghiên cứu từ Đại học Purdue, Phòng thí nghiệm Khoa học Mặt trăng và Hành tinh ở Arizona, Đại học Stanford và[{” attribute=””>NASA’s Jet Propulsion Laboratory.

A new study reveals that an ancient collision on the Moon’s south pole changed patterns of convection in the lunar mantle, concentrating a suite of heat-producing elements on the nearside. Those elements played a role in creating the vast lunar mare visible from Earth. Credit: Matt Jones

The differences between the near and far sides of the Moon were first revealed in the 1960s by the Soviet Luna missions and the U.S. Apollo program. While the differences in volcanic deposits are plain to see, future missions would reveal differences in the geochemical composition as well. The nearside is home to a compositional anomaly known as the Procellarum KREEP terrane (PKT) — a concentration of potassium (K), rare earth elements (REE), phosphorus (P), along with heat-producing elements like thorium. KREEP seems to be concentrated in and around Oceanus Procellarum, the largest of the nearside volcanic plains, but is sparse elsewhere on the Moon.

Some scientists have suspected a connection between the PKT and the nearside lava flows, but the question of why that suite of elements was concentrated on the nearside remained. This new study provides an explanation that is connected to the South Pole–Aitken basin, the second largest known impact crater in the solar system.

For the study, the researchers conducted computer simulations of how heat generated by a giant impact would alter patterns of convection in the Moon’s interior, and how that might redistribute KREEP material in the lunar mantle. KREEP is thought to represent the last part of the mantle to solidify after the Moon’s formation. As such, it likely formed the outermost layer of mantle, just beneath the lunar crust. Models of the lunar interior suggest that it should have been more or less evenly distributed beneath the surface. But this new model shows that the uniform distribution would be disrupted by the heat plume from the SPA impact.

According to the model, the KREEP material would have ridden the wave of heat emanating from the SPA impact zone like a surfer. As the heat plume spread beneath the Moon’s crust, that material was eventually delivered en masse to the nearside. The team ran simulations for a number of different impact scenarios, from dead-on hit to a glancing blow. While each produced differing heat patterns and mobilized KREEP to varying degrees, all created KREEP concentrations on the nearside, consistent with the PKT anomaly.

The researchers say the work provides a credible explanation for one of the Moon’s most enduring mysteries.

“How the PKT formed is arguably the most significant open question in lunar science,” Jones said. “And the South Pole–Aitken impact is one of the most significant events in lunar history. This work brings those two things together, and I think our results are really exciting.”

Refernece: “A South Pole–Aitken impact origin of the lunar compositional asymmetry” by Matt J. Jones, Alexander J. Evans, Brandon C. Johnson, Matthew B. Weller, Jeffrey C. Andrews-Hanna, Sonia M. Tikoo and James T. Kean, 8 April 2022, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abm8475