为什么月球不可能是空心的？

知乎科学联合科学辟谣平台发起「谣言止于知者」活动，中国月球探测工程首席科学家、「嫦娥之父」欧阳自远院士发出提问，邀请知友们参与讨论:
月球是空心的吗？月球的内部有什么样的呢？


https://www.zhihu.com/video/1200354590719533056

月球与地球都是岩石天体，它们之间的平均距离约为38万千米，月球是地球唯一的一个天然卫星，是地球的好伙伴。月球的平均直径约为3474千米，是地球直径的1/4，质量相当于地球质量的1/81。这样的大小放在太阳系众多天然卫星中来说，已经算比较大的了。如果月球绕着太阳公转，那么它甚至能够成为一颗行星。




月球的存在对地球影响显著。首先，月球的引力对地球的潮汐运动起着重要作用。此外，月球也对地球的自转和倾斜角度产生影响，这影响到了地球的气候和季节变化。当然，月球在影响地球的同时也起着一个稳定地轴倾角的作用。月球之所以始终以一个面对着地球，是因为月球绕地球公转周期为27.32天，与它的自转周期相等，即月球被地球潮汐锁定。




除了是地球的好伙伴，月亮在人类文化中也有特殊的含义，因此它备受人们的关注，并因此产生了诸多与月球有关的猜测。
上世纪60年代，苏联天体物理学家米哈依尔·瓦西里和亚历山大·谢尔巴科夫在《真理报》上撰文指出，月球内部结构中有很大一部分是空心的，认为月球内部可能有外星人居住，月球不是天然形成的。然而这一切都只是猜测！
随着美苏太空竞赛，人类向月球发射了大量的探测器，获得了关于月球的诸多数据资料，最终科学家认为月球不可能是空心的。不过，这也给月球空心论者带来了一丝希望！




月球空心论者曾经给出了两项不靠谱的证据：
一是阿波罗登月计划带回的月表岩石的密度大于地球上的岩石，空心论者以此密度计算，发现月球的实际质量小于计算结果，因此便认为只有月球是空心的，月球的质量才符合实际情况。
其实，用月球表面岩石的密度当作整个月球的平均密度来计算月球的质量，这并不靠谱，因月球也和地球一样，有壳、幔、核结构。




二是月震仪在月球表面观测到了人造物撞击月球表面后产生的长周期振动信号，空心论者认为只有月球是空心的，才会产生这种长周期月震波信号。
其实，那次月震仪检测到的只是经过月球表层后传回的振动信号，并不能反映任何月球内部结构，更长的衰减时间也只说明月震波在月球表层衰减得更慢而已。
总之，这两项所谓的证据都只能反映月表的属性，并不能证明月球是空心的。
月球为什么不可能是空心的？
月球的平均密度约为3.3克/立方厘米，比地球的平均密度（5.5克/立方厘米）小。科学家通过多次月震试验，发现月球内部存在大量的金属和岩石，月球的质量和密度是相对均匀的，这表明它内部没有大的空洞。如果月球是空心的，那么它的质量和密度应该会非常不均匀，因为空洞的存在会减轻月球的质量，导致它的平均密度更低。




并且，月球的形状也表明它是一个实心的天体。月球的形状是类似于一个略微扁平的椭球体，这符合一个实心天体的形态。因为在万有引力和流体静力学平衡的作用下，天然形成的天体，在自转速度不是太快的情况下，质量越大，形状越趋向于球体。如果月球是空心的，那么它的形状会非常不规则，因为空洞的存在会导致月球表面的形态变化。但是，月球的形状相对规则，这表明它是一个实心的天体。此外，如果月球是空心的，它也不可能在漫长的时间内保持相对稳定的轨道和结构，因为空洞会导致重心和结构不稳定。
另外，根据科学家的研究，月球是在45亿年前，一个大型天体与刚刚诞生的原始地球碰撞后形成的。这种碰撞将大量的物质抛射到了宇宙空间中，但在地球引力的作用下，这些散落的物质并没有脱离地球，经过一定的时间，在引力的作用下，那些物质汇聚并形成了月球。如果月球是空心的，这种碰撞将不可能形成一个均匀的实体。




综上所述，月球的质量、密度、形状和起源都表明它不可能是空心的。因此，科学家们普遍认为月球是一个实心的天体。
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为什么月球不可能是空心的？
https://www.zhihu.com/video/1202233573333471232
提问：为什么月球不可能是空心的？
欧阳自远：月球，其实我们早就知道，在上世纪，美苏两国探测月球的时候，放了几台地震仪在月球上。月球发生微弱的地震或者小天体撞击月球的时候，产生一些地震波，它接收到了以后分析。所有的数据证明，月球是实心的。
月球的半径大约以前多公里，它的核心密度比较大，叫月核。另外，还有一个月幔，最外面包了一层很薄的月壳。月核的直径大约七百公里，月幔的厚度大概一千公里，月壳的厚度大概只有四五十公里，在背面大概有七八十公里。
所有的科学数据都证明了，月球是实心的，它的诞生从四十五亿年以来，就逐渐逐渐地形成了月核、月幔、月壳。所以，有充分的证据，月球不是外星人建造的，月球是实心的，月球没有外星人。

其实都别笑， 月球空心说是一个很正经的假说。在登月之前，主流学术界还是有这个怀疑的。
这主要是，在登月之前，通过天文学观测，和利用万有引力定律进行计算，很容易就能得知月球的体积和质量。 然后这样计算出月球的平均密度只有：
这个密度和我们地球的平均密度 相比，实在是太低了啊。
而从天文观测来看， 月球显然不是气态的，而是和地球相似的岩石构造。 这难免让人怀疑，月球是不是有可能是空心的。因为从外部观测，只能得到月球的总质量，总体积，和平均密度，根本无法知道质量分布。所以月球空心的假说并不离谱。
只不过，本来正经的假说（月球密度不均匀，内部低，外部高），传来传去就变成什么月球内部有外星人居住，月球是个空的球壳质量的莫名其妙的东西了。
那么，月球的质量到底是咋分布的，上去测一测就知道了。所以，月球空心的这个说法，在登月之后就不攻自破了。
有个方法可以很好的反应出物体的质量分布，那就是转动惯量。
根据物理学知识，转动惯量只与物体的形状，质量分布，轴位置有关。
由于是月球是三维球体，我们可以通过测量月球的面积转动惯量来监测月球的质量分布。
假设月球是一个完美的均匀的实心球体，理论计算的面积转动惯量为0.4， 而假设月球是一个空心球壳，理论计算的转动惯量为0.6.
而实际测量，月球的面积转动惯量大概在0.393左右， 可以看出来，月球的质量分布是十分接近于一个实心球体的。
除此之外，现代遥感测绘技术大大进步，通过人造卫星，人类已经可以精确的绘制出月球的精确内部结构可，结构示意图如下：


可见月球根本不存在什么空心结构。
那么，回到最一开始的问题， 既然月球基本上算是实心的，为啥密度这么低呢？
其实是因为地球密度太高了，通过现代技术对地球测绘，发现地球的密度是非常不均匀的，越向地心密度越大。



地球内部构造，来源于维基百科[1]

我们可以看到，地球核心的密度已经到达了惊人的 ,是月球平均密度的4倍还多。
这是因为地球的体积，质量都远远大于月球，地球内部因为高温，高压的作用，形成了非常致密的物质。 而且，随着向地心深入，地球的密度是不断增加的。
而月球并没有那么大的质量，重力作用不明显，内部也就没有那么大的质量变化了。
从上表我们可以看出，月球的平均密度，和地球地幔的密度大致相当。
<hr/>评论中有写朋友对转动惯量的问题有疑问，现在简单解答一下：
1  转动惯量为什么没有写单位？
   这是天文学中经常为了图方便的一个简写方法。什么意思呢？
我们知道， 质点的转动惯量为：
但是计算三维物体时，一个物体饶轴转动，每个质点的转动轴都不一样，就不能用简单的加法来计算转动惯量，必须使用积分。
比如，计算一个质量分布均匀的空心薄球壳：


我们取球壳上一小段快质量dm，计算其转动惯量
根据几何知识，我们知道
计算整个球壳的转动惯量，就必须对质元m进行积分，

同样的道理，可以把实心球体看成是无数个半径为r的薄球壳组合而成，则对薄球壳转动惯量进行积分，即可得到实行球壳的转动惯量

在天文学中，计算天体的转动惯量，很难直接像地球上的小球直接 测量出转动惯量，通常都是通过测量不同位置的基本地理参数，从而计算出天体的转动惯量。
计算天体转动惯量的时候，一般来说不会带入天体的质量和半径，这也太不方便，通常会以系数表示。
均匀质量球体的转动惯量为  0.4, 即代表  
月球的转动惯量为0.393，即代表转动惯量为
2 月球的转动惯量究竟是如何得到的
   这是一个非常复杂的问题，可以写一篇论文了。简单的来说，就是通过基础的月球数据再通过计算得到的。
总的来说，数据一般都是通过 LLR（Iunar Iaser Ranging）月球激光测距实验或者SLR（Satellite Laser Ranging）卫星激光测距实验 等大型实验得到的。
月球激光测距实验LLR，就是人类登月的时候在月球不同档位放置了若干反光镜，地面实验室就可以利用激光照射这些反光镜进行各种实验。现在LLR数据在网上都可以查询得到。有兴趣的朋友可以自己查阅研究。

实心球和篮球扔起来感觉一样吗？我们生活中判断物体空心和实心通常有两种方法去辨别，分别是测密度、敲打听声。
首先是测密度，NASA官网上的月球密度数据为3.344克/立方厘米，大于地球上岩石沙子的主要成分——二氧化硅。也就是说月球比同大小的实心石球还重，所以怎么可能是空心？顺便说一下比石头重是因为有大量金属包括表面丰富的铝镁钛钙铁等更重的物质拉高密度。



阿波罗月球土壤样本元素丰度，当然不同区域有差别


不过其他行星的月球（天然卫星）倒是可能真的是空心的。例如土卫七（不是土卫六）密度0.544克/立方厘米，低于冰。被认为有较高的孔隙率，也就是说是一堆碎石、碎冰松散的堆叠没压紧，某种程度上可以认为是空心的。



海绵般的土卫七

至于怎么测密度，先测直径，如果太远看不清则可以先测反照率（反射光的能力）和星等（亮度）然后推算出，根据直径得出体积。然后再根据和附近天体的运行轨道（可以说是观测引力影响）情况得出质量，然后就能算密度了。
Earth's Moon - NASA Solar System ExplorationNASA月球数据页面
Hyperion - NASA Solar System ExplorationNASA土卫七数字页面
其次除了测密度了解实心空心外外我们还会通过敲击物体听声音来探测内部是空心还是实心。我们知道声波是振动，阿波罗计划中把地震仪带上了月球，通过检测陨石撞击月球产生的震波来了解月球内部结构，就像是我们敲罐子听响一样。探测结果进一步表明月球是实心的，有熔融的地幔跟坚固的核心。



阿波罗宇航员安置在月球上的地震仪

https://www.lpi.usra.edu/lunar/missions/apollo/apollo_15/experiments/ps/NASA关于阿波罗15号月震学研究结果说明

The Passive Seismic Experiment produced several important scientific results:
Knowledge of Lunar Interior Structure.  Like Earth, the Moon has a crust, mantle, and core. The lunar crust is rich in the mineral plagioclase and has an average crustal thickness of 60-70 kilometers, which is about 3 times the average crustal thickness on Earth. The lunar mantle lies between the crust and the core and consists mostly of the minerals olivine and pyroxene. The core is probably composed mostly of iron and sulfur and extends from the center of the Moon out to a radius of no more than 450 kilometers; i.e., the core radius is less than 25% of the Moon's radius, which is quite small. In comparison, Earth's core radius is 54% of Earth's radius. However, the size of the lunar core is not well constrained by existing seismic observations. Better constraints come from the laser ranging retroreflector and magnetometer experiments.
Distribution of Lunar Seismic Sources.  More than 1700 meteoroid impacts were recorded by the seismometer network, with impactor masses estimated to be between 0.5 and 5000 kilograms. Most moonquakes occur at depths of 800-1000 kilometers. These occur at monthly intervals at about 100 distinct sites, indicating that these moonquakes are caused by stresses from changes in lunar tides as the Moon orbits the Earth. These moonquakes are quite small, mostly with Richter scale magnitudes of less than 2. The amount of energy released by earthquakes in a typical year is about 10 million times larger than that released by moonquakes in a year. Only a few near-surface moonquakes were detected.
Attenuation of Seismic Waves.  Meteoroid impacts cause heavy fracturing in the upper 20 kilometers of the lunar crust. These fractures in turn cause scattering of seismic waves in these regions. Below 20 kilometers, seismic-wave scattering decreases as a result of either closure of these fractures due to increasing pressure or of a change in chemical composition of the crust. In the mantle, seismic waves are attenuated much less on the Moon than they are on Earth. Seismic-wave attenuation is enhanced at high temperatures and in the presence of water, and the low attenuation on the Moon indicates a cold, dry interior. Because the Moon is smaller than Earth, it is expected to have cooled more rapidly, producing a cold interior. The absence of water may be due either to the failure of the Moon to accumulate water when it formed or to subsequent loss of water to space. Below 1000 kilometers depth, seismic-wave attenuation increases, possibly indicating the presence of a small amount of molten rock.

好了有疑问请找NASA怼，我只是搬运工，上面都给出链接了。当然相信空心说的估计还认为阿波罗登月都是假的，宁可信路边社、朋友圈啥的谣言阴谋论也不愿信NASA，反正人蠢最后还是自己倒霉，例如容易被忽悠诈骗。

被收录了，补充一张地震波探测天体内部结构的示意图