Cấu trúc bên trong

Hình giản đồ cấu trúc bên trong Mặt Trăng

Mặt Trăng là một vật thể phân dị, về mặt địa hoá học gồm một lớp vỏ, một lớp phủ, và lõi. Cấu trúc này được cho là kết quả của sự kết tinh phân đoạn của một biển macma chỉ một thời gian ngắn sau khi nó hình thành khoảng 4,5 tỷ năm trước. Năng lượng cần thiết để làm tan chảy phần phía ngoài của Mặt Trăng thường được cho là xuất phát từ một sự kiện va chạm lớn được cho là đã hình thành nên hệ thống Trái Đất-Mặt Trăng, và sự bồi đắp sau đó của vật chất trong quỹ đạo Trái Đất. Sự kết tinh của biển macma khiến xuất hiện lớp phủ mafic và một lớp vỏ giàu plagiocla (xem Nguồn gốc và tiến hoá địa chất bên dưới).

Việc vẽ bản đồ địa hoá học từ quỹ đạo cho thấy lớp vỏ Mặt Trăng gồm phần lớn thành phần là anorthosit,[26] phù hợp với giả thuyết biển macma. Về các nguyên tố, lớp vỏ gồm chủ yếu là ôxy, silic, magiê, sắt, canxi và nhôm. Dựa trên các kỹ thuật địa vật lý, chiều dày của nó được ước tính trung bình khoảng 50 km[27].

Sự tan chảy một phần bên trong lớp phủ Mặt Trăng khiến phóng xạ của biển bazan nổi lên trên bề mặt Mặt Trăng. Các phân tích bazan này cho thấy lớp phủ bao gồm chủ yếu là các khoáng chất olivin, orthopyroxen và clinopyroxen, và rằng lớp phủ Mặt Trăng có nhiều sắt hơn Trái Đất. Một số bazan Mặt Trăng chứa rất nhiều titan (hiện diện trong khoáng chất ilmenit), cho thấy lớp phủ có sự không đồng nhất lớn trong thành phần. Các trận động đất trên Mặt Trăng được phát hiện xảy ra sâu bên trong lớp phủ, khoảng 1.000 km dưới bề mặt. Chúng diễn ra theo chu kỳ hàng tháng và liên quan tới các ứng suất thuỷ triều gây ra bởi quỹ đạo lệch tâm của Mặt Trăng quanh Trái Đất[27].

Mặt Trăng có mật độ trung bình 3.346,4 kg/m³, khiến nó trở thành vệ tinh có mật độ lớn thứ hai trong Hệ Mặt Trời sau Io. Tuy nhiên, nhiều bằng chứng cho thấy có thể lõi Mặt Trăng nhỏ, với bán kính khoảng 350 km hay nhỏ hơn[27]. Nó chỉ bằng khoảng 20% kích thước Mặt Trăng, trái ngược so với 50% của đa số các thiên thể khác. Thành phần lõi Mặt Trăng không đặc chắc, nhưng phần lớn tin rằng nó gồm một lõi sắt kim loại với một lượng nhỏ lưu huỳnh và niken. Các phân tích về sự khác biệt trong thời gian tự quay của Mặt Trăng cho thấy ít nhất lõi Mặt Trăng cũng nóng chảy một phần[28].

Địa hình

Địa hình Mặt Trăng, theo thể địa cầu Mặt Trăng

Địa hình Mặt Trăng đã được đo đạc bằng các biện pháp đo độ cao laser và phân tích hình lập thể, đa số được thực hiện gần đây từ các dữ liệu thu thập được trong phi vụ Clementine. Đặc điểm địa hình dễ nhận thấy nhất là Vùng trũng Nam cực-Aitken phía bề mặt không nhìn thấy, nơi có những điểm thấp nhất của Mặt Trăng. Các điểm cao nhất ở ngay phía đông bắc vùng trũng này, và nó cho thấy vùng này có thể có những trầm tích vật phóng núi lửa dày đã xuất hiện trong sự kiện va chạm xiên vào vùng trũng Nam cực-Aitken. Các vùng trũng do va chạm lớn khác, như Imbrium, Serenitatis, Crisium, Smythii và Orientale, cũng có địa hình vùng khá thấp và các gờ tròn nổi. Một đặc điểm phân biệt khác của hình dáng Mặt Trăng là cao độ trung bình ở phía không nhìn thấy khoảng 1,9 km cao hơn so với phía nhìn thấy[27].

Trường hấp dẫn

Trường hấp dẫn của Mặt Trăng đã được xác định qua việc thám sát các tín hiệu radio do các tàu vũ trụ bay trên quỹ đạo phát ra. Nguyên tắc sử dụng dựa trên Hiệu ứng Doppler, theo đó việc tàu vũ trụ tăng tốc theo hướng đường quan sát có thể được xác định bằng những thay đổi tăng nhỏ trong tần số tín hiệu radio, và khoảng cách từ tàu vũ trụ tới một trạm trên Trái Đất. Tuy nhiên, vì sự quay đồng bộ của Mặt Trăng vẫn không thể thám sát tàu vũ trụ vượt quá các rìa của Mặt Trăng, và trường hấp dẫn phía bề mặt không nhìn thấy được vì thế vẫn còn chưa được biết rõ[29].

Sự dị thường hấp dẫn xuyên tâm trên bề mặt Mặt Trăng

Đặc điểm chính của trường hấp dẫn Mặt Trăng là sự hiện diện của các mascon (tập trung khối lượng), là những dị thường hấp dẫn dương gắn liền với một số vùng trũng va chạm lớn[30]. Những dị thường này ảnh hưởng lớn tới quỹ đạo của các tàu vũ trụ quay xung quanh Mặt Trăng, và một mô hình hấp dẫn chính xác là cần thiết để lập kế hoạch cho các phi vụ tàu vũ trụ có và không có người lái. Các mascon một phần xuất hiện bởi sự hiện diện của các dòng chảy dung nham bazan vào một số vùng trũng va chạm. Tuy nhiên, các dòng chảy dung nham chính chúng lại không thể giải thích toàn bộ trường hấp dẫn, và phay nghịch của mặt phân giới lớp vỏ-lớp phủ cũng là điều cần thiết. Dựa trên các mô hình hấp dẫn Lunar Prospector, người ta thấy rằng một số mascon tồn tại nhưng không cho thấy bằng chứng cho thuyết núi lửa biển bazan[31]. Sự mở rộng to lớn của núi lửa biển bazan gắn liền với Oceanus Procellarum không chỉ ra sự bất thường hấp dẫn dương.

Từ trường

Tổng cường độ từ trường tại bề mặt Mặt Trăng, kết quả từ cuộc thí nghiệm đo phản xạ electron của Lunar Prospector

Mặt Trăng có một từ trường bên ngoài trong khoảng một tới một trăm nanotesla— chưa bằng 1% từ trường Trái Đất (khoảng 30-60 microtesla). Các khác biệt chính khác là Mặt Trăng hiện tại không có một từ trường lưỡng cực (lẽ ra phải được tạo ra bởi địa động lực trong lõi của nó), và sự từ hóa hiện diện hầu như đều có nguồn gốc từ lớp vỏ[32]. Một giả thuyết cho rằng sự từ hóa ở lớp vỏ đã xuất hiện ngay từ buổi đầu lịch sử Mặt Trăng khi địa động lực đang hoạt động. Tuy nhiên, kích thước nhỏ của lõi Mặt Trăng là một yếu tố cản trở tiềm tàng cho giả thuyết này. Một giả thuyết khác, có thể trên một vật thể không có không khí như Mặt Trăng, các từ trường tạm thời có thể xuất hiện trong những sự kiện va chạm lớn. Ủng hộ giả thuyết này, cần lưu ý rằng sự từ hóa lớp vỏ lớn nhất là ở gần các vùng đối chân của những vùng trũng do va chạm lớn. Người ta đề xuất rằng một hiện tượng như vậy có thể xảy ra từ sự mở rộng tự do của một đám mây plasma sinh ra từ va chạm bao quanh Mặt Trăng với sự hiện diện của một từ trường bao quanh[33].

Khí quyển

Mặt Trăng có khí quyển mỏng đến nỗi hầu như không đáng kể, với tổng khối lượng khí quyển chưa tới 104 kg[34]. Một nguồn gốc hình thành khí quyển Mặt Trăng chính là hiện tượng tự phun khí—sự phun các loại khí như radon hình thành bởi quá trình phân rã phóng xạ bên trong lớp vỏ và lớp phủ[35]. Một nguồn quan trọng khác hình thành trong quá trình tiên xạ, liên quan tới sự bắn phá của vi thiên thạch, các ion, electron của gió Mặt Trời và ánh sáng Mặt Trời[26]. Các loại khí phát sinh từ quá trình tiên xạ hoặc chui vào trong regolith vì lực hấp dẫn của Mặt Trăng, hoặc có thể lại rơi vào vũ trụ vì áp suất bức xạ của Mặt Trời hay bị quét sạch bởi từ trường gió Mặt Trời nếu chúng đã bị ion hoá. Các nguyên tố natri và kali đã được phát hiện bằng cách phương pháp quang phổ trên Trái Đất, trong khi nguyên tố radon–222 (222Rn) và poloni-210 (210Po) đã được suy ra từ máy quang phổ hạt alpha của Lunar Prospector[36]. Agon–40 (40Ar), heli-4 (4He), ôxy (O2) và/hay metan (CH4), nitơ (N2) và/hay mônôxít cacbon (CO), và điôxít cacbon (CO2) đã được phát hiện tại chỗ bởi các máy do các nhà du hành vũ trụ chương trình Apollo để lại[37].

Nhiệt độ bề mặt

Ban ngày trên Mặt Trăng, nhiệt độ trung bình là 107 °C, còn ban đêm nhiệt độ là -153 °C[38].