胡克的实验
1662年,罗伯特・胡克被任命为最新成立的英国皇家学会的实验管理员,负责设计演示实验作为非常专业的技术美术师,1665年,他出版了本书,其中包括月盘中心处依巴谷环形山的许细绘图。
实际上,他不愿意绘制月球地形图,更愿意通过实验研究环形山是如何形成的。他先是把重球落入湿黏土中;也曾将条纹大理石加热至起泡,然后保温,直至最终气泡胀破后在表面形成了凹坑。然而,胡克想象不出这些抛射物来自哪里,进而在月球表面形成如此多的四坑;他也想象不出月球表面怎么能变得这么热,以至形成如此大的气泡。
然而,人们普追的看法是环形山一定是在某种形式下由火山爆发形成的。
实验者们
英国格林尼治皇家天文台的天文学家詹姆斯・卡彭特和工程师詹姆斯・内史密斯,通过实验研究了月球上的特征地形是如何形成的。他们认为环形山是由火山爆发形成的。火山爆发初期,火山口喷出物的喷射速度很快,伞形柱状熔岩流喷射而出,喷出一定距离之后落下,形成同心环,称为环形山环壁。
在某些情况下,随着火山爆发的减弱,在环壁的内部将形成一系列阶地。爆发的最后阶段可能会形成一个中央峰。对于底部是暗区又没有中央峰的环形山,他们推测是火山爆发形成了熔岩流,将火山口覆盖了。因为月球引力很小,又缺少大气,这个过程可能会形成非常大的结构物。
此外,内史密斯还制作了一个50cm口径的反射式望远镜,他和卡彭特用这个望远镜详细研究了月球的一些特征,并根据观察结果制作了精确的模型,然后在符合各太阴月相的照明条件下拍照。这些照片比所有同时代的月球照片都要好。
1874年,他们在自己的著作《月球:被认为是一颗行星、一个世界、一颗卫星》中展示了这些照片。
新观点
格罗夫・卡尔・吉尔伯特出生于美国纽约州的罗切斯特市。他是一个野外地质学家,做了大量的调查工作。1879年,美国地质勘探局成立,他被任命为高级地质师。
1892年8月至10月,吉尔伯特花了18个晚上的时间,利用位于华盛顿特区的美国海军天文台的65cm口径折射望远镜观察月球。通过观察,他发现月球环形山的底部通常低于环形山周边的月面,而不是高于周边的月面,因此吉尔伯特否认了火山起源说,认为环形山是撞击产生的。吉尔伯特进一步指出,“圆形的月海”外围一圈隆起的山脉是巨大环形山的内壁。
为了证明这一点,他引用了自己关于雨海特征形成过程中溅射物落下产生侵蚀构造的观点。他在论文《月球表面特征起源研究》中公布了他的观测结果同一年,他向华盛顿哲学学会做了口头报告,并卸任会长职务。
当批评家问为什么在地球上没有看到类似的撞击现象时,吉尔伯特回答说,应该发生过这样的事件,但撞击坑会快速消失。
1893年,吉尔伯特的论文正式发表在美国地质勘探局的公告上,但因为美国地质勘探局的公告不在天文学家们的阅读清单上,所以天文学家们并没有注意到吉尔伯特在研究天文学。
鲍德温
一直到拉尔夫・贝尔纳普・鲍德温对第二次世界大战中的弹坑进行分析后,月球环形山的撞击起源研究才开始取得真正的进展。
鲍德温是一名学过物理的商人,1941年他参观天文馆时对月球产生了兴趣,在观看展出的照片时,只有他注意到了侵蚀构造。鲍德温在文献中没有找到相关的解释，于是决定自己进行研究。
1942年和1943年,他在发表于《大众天文学》杂志的论文中指出,撞击形成雨海凹坑的过程中,被撞击的月壳物质,一部分喷射出一些浅的轨迹,其余的沿高弹道弧线喷射。距离最近的侵蚀构造是水平移动的喷射物刮擦出来的凹槽,更远的环形山链则是急剧跌落的碎片形成的。
鲍德温之所以在大众杂志上发表论文,是因为他被专业杂志退稿了,退稿理由就好像月球不值得研究似的。1949年,芝加哥大学出版了他的《月球表面》一书,鲍德温在书中借鉴了自己对弹坑的专业分析。他指出,撞击时减速越快,释放的能量就越大。然后,他认为月球引力很小,因此撞击所产生的喷出物会飞溅得更远,但这并不会使陨击坑更大。他采用对数曲线绘制出了地球陨击坑的直径和深度的关系(人们认为这些地球陨击坑是天体撞击的结果),他还绘制了那些内壁尚未塌陷的、不会让他所使用的比例失真的月球环形山。重要的是,鲍德温确定出了与其他“圆形的月海”相关的侵蚀构造。
他还认为,雨海外围的山脉一定在撞击之前就形成了,而这些撞击形成了雨海的外围地形。像吉尔伯特一样,鲍德温推测所有的月海都是在一次撞击中同时形成的。这次撞击被认为是月球史上最大的一次撞击,它形成的凹坑容纳了雨海。吉尔伯特猜想这次撞击“溅出”了流体喷出物,这些喷出物汇聚在广泛分布的低注地区,形成了各种各样的月海,但鲍德温知道,凹坑的形成和它被雨海填充之间有一段明显的时间间隔。
鲍徳温提出一个观点,雨海在产生过程中释放出高速流动的熔岩脉冲,冲破了封闭的内壁,并蔓延至月球表面,汇聚在一起形成连续相邻的凹坑。地球上的流体熔岩在地球上留下了巨大的流动熔岩地貌,如美国的哥伦比亚高原和印度的德干地盾。
鲍徳温观点中最重要的一点是,大的圆形凹坑是由一系列撞击形成的,在凹坑被月海占据前经过了很长一段时间。天文学家们对鲍德温的观点不置可否,他们继续建立月海的产生与月海所在凹坑的形成之间的关联。