月亮总是以同一面对着地球。然而最近对月球南北两极的水冰所做的分析表明，远古的月亮对准地球的那一面，与今天稍有不同——因为在大约30亿年前，月球的自转轴发生过大约5度的偏移。图片来源：Steed、夜空中国
月面上的“玉兔和蟾蜍”，从远古的地球上看去，是否会有些不一样呢？
NASA资助的一项新研究提供了证据表明，在大约30亿年前，月球的自转轴曾经偏转了大约5度。自转轴这一偏转的证据，被记录在月球表面远古水冰的分布模式之中。
“月亮的同一张脸并不总是指向地球，”美国亚利桑那图森市行星科学研究所（Planetary Science Institute）的马修·西格勒（Matthew Siegler）说，“随着自转轴的偏转，月面上的‘玉兔和蟾蜍’也发生了偏移。月亮的脸大概相当于稍稍抬了一下头。”西格勒是这项研究的主要作者。
水冰可以在月球的某些永久阴影区内存在。如果月球上的冰直接暴露在阳光下，它就会蒸发到太空里去。这项研究的作者提出证据表明，月球自转轴在数十亿年前发生的一次偏转，使得之前很可能存有水冰的一些曾经的永久阴影区被阳光照亮了。
月球南北两极氢元素的分布图上标出了远古和现在月球南北极点的位置。在这幅图上，颜色越浅的区域，氢含量越高，越深的区域，氢含量越低。图片来源：James Keane, University of Arizona; Richard Miller, University of Alabama at Huntsville
这些研究者发现，在这次偏转过程中残存下来的水冰，实际上沿着自转轴移动的路线“画出”了一条轨迹。他们借助模型模拟了自转轴偏转时哪里的水冰仍然能够保持稳定，然后将模拟结果与实际轨迹加以比对，从而指出月球的自转轴已经偏移了大约5度。这是科学家第一次找到物理证据，表明月球的指向经历过如此剧变，同时也暗示，几十亿年前月球两极的水冰要比现在多得多。
为了重建月球自转轴方向的变化，研究者分析了多项NASA探月任务获取的数据，包括月球勘探者（Lunar Prospector）、月球勘测轨道飞行器（LRO）、月球环形山观测与遥感卫星（LCROSS），以及圣杯号月球探测器（GRAIL）。
西格勒留意到，这些探月任务观测到的水冰在月球南北两极的分布，似乎并不像先前认为的那样互不相关。根据进一步的调查分析，西格勒和他的合作者、美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校的理查德·米勒（Richard Miller）发现，在月球的南北两极，水冰的聚集之处与南北极点都偏离了相同的距离，而且偏离的方向完全相反，表明过去月球的自转轴与今天我们看到的自转轴有所偏移。自转轴倾角的改变意味着，很久以前曾经存积于月球两极的一些水冰，后来被暴露在阳光下而被蒸发了，只有在原自转轴和新自转轴下都晒不到阳光的永久阴影区中才会有水冰留存至今，从而透露出当年的这段历史。
月球的纵切面，标明了月球南北两极挥发性物质完全对称的分布（紫色），以及它们所暗示的月球自转轴偏移。月球的自转轴从远古时期的红色箭头偏移到今天的蓝色箭头，是由风暴洋的形成及演化驱动的。风暴洋是月球朝向地球一面的一片区域，富集了大量会产生热量的放射性元素（绿色），是远古时期火山活动熔岩横流之地。图片来源：
Credits: James Tuttle Keane, University of Arizona
行星级别的天体，只有当质量分布发生极大变化时，自转轴才会发生偏移。研究合作者、美国亚利桑那大学的詹姆斯·基恩（James Keane）模拟了可能导致自转轴偏移的月球内部变化。他发现，月球朝向地球一侧的风暴洋（Procellarum）是唯一可以解释自转轴偏移方向和偏移角度的月面特征。此外，月面风暴洋区域放射性物质的富集也足以加热一部分月幔，导致密度发生显著改变，足以使得月球的自转轴发生偏移。
部分被加热的月幔物质熔融并上升到月球表面，形成深色区域覆盖了如今被称为月海的大片月面盆地。正是这些月海使得月亮上似乎有了“玉兔和蟾蜍”。
西格勒说，“这些发现或许开启了一扇大门，未来能够对月球内部的演化，以及月球和早期地球上水的起源，作出更多的发现。”
描述这些发现的相关论文，今天（3月24日）发表在《自然》（Nature）杂志上。（编辑：Steed）