嫦娥四號(hào)傳來的訊息：月球背面深處，蘊(yùn)藏著這些物質(zhì)
圖源：NASA
撰文 | 馬 超
責(zé)編 | 陳曉雪
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數(shù)千年來，人類從未停止過對(duì)月球的探索。從古希臘人測(cè)量地月距離，到伽利略首次借助望遠(yuǎn)鏡繪制月面圖；從上世紀(jì)美國輝煌的阿波羅登月計(jì)劃，到今天我國舉世矚目的探月工程，而無人探測(cè)器對(duì)月球的探測(cè)歷史也已超過60載，如今人類對(duì)月球表面的認(rèn)知，遠(yuǎn)比對(duì)地球的深海深入得多。
阿波羅16號(hào)宇航員 約翰·楊。 圖源：NASA
然而由于探索技術(shù)水平的限制，我們對(duì)于月球內(nèi)部的情況卻了解的很少。通過多年的探索，科學(xué)家們已經(jīng)摸透月球表層（即月殼）物質(zhì)主要由斜長石礦物組成，并推斷更深層的月幔很可能是由富含鐵、鎂元素的橄欖石、輝石等具有更高密度的礦物組成。但關(guān)于月幔物質(zhì)成分的論斷，一直都沒有直接的證據(jù)支持。
地球上的橄欖石晶體，?小僅有數(shù)毫米。圖源：NASA
最近，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員李春來和其科研團(tuán)隊(duì)，通過分析來自嫦娥四號(hào)所獲得的高分辨率光譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，嫦娥四號(hào)著陸區(qū)附近的月壤中存在大量深層礦物——橄欖石和低鈣輝石。更進(jìn)一步的分析表明，這些物質(zhì)很可能來自月殼之下更深層的月幔。
這為長期困擾科學(xué)界的月幔成份問題提供了直接證據(jù)，有助于進(jìn)一步研究月幔物質(zhì)構(gòu)成以及月球早期形成與演化。5月16日，國際期刊《自然》刊發(fā)了這一研究。
根據(jù)月球演化理論，在月球形成初期，頻繁的天體撞擊在月表產(chǎn)生高溫，致使巖石融化，因此月球表面被巖漿的海洋所覆蓋。巖漿海洋中密度較小的物質(zhì)如斜長石將浮于上層，最后形成月殼，而密度較高的橄欖石、輝石等則下沉，形成月幔。隨著月球熱量的不斷散失，巖漿最終凝固，形成現(xiàn)有的月層構(gòu)造格局。
月殼的平均厚度約為50公里，以目前人類現(xiàn)有的技術(shù)水平，通過打穿月殼，來采集月幔樣本進(jìn)行分析，是不可能的事情?？茖W(xué)家們后來意識(shí)到，大型天體的撞擊可能是獲取月幔物質(zhì)的有效途徑。大型天體與月球表面相撞時(shí)，其巨大的能量很可能會(huì)撞穿月殼，將深層的月幔物質(zhì)拋濺到月表。
于是大型古老的撞擊盆地，成為科學(xué)家尋找月幔物質(zhì)的主要目標(biāo)。
月殼最有可能撞穿的位置位于月球背面的南極-艾特肯盆地（South Pole-Aitken Basin），它是月球上最大、最古老的撞擊盆地，直徑約2500公里，形成于40多億年前。然而，此前的月球探測(cè)并未發(fā)現(xiàn)該盆地表面存在大量月幔指示礦物——橄欖石的直接證據(jù)。
南極艾特肯盆地.月球表面地形的高度分布圖，不同的色彩代表不同的高度，其中的藍(lán)色區(qū)域?yàn)槟蠘O艾特肯盆地。圖源：NASA
難道月幔物質(zhì)主要由橄欖石組成的推斷是錯(cuò)誤的嗎？這讓科學(xué)界重新審視月球演化模型的正確性。
對(duì)于解決這一難題，最佳的方式是讓探測(cè)器著陸于南極-艾特肯盆地，直接進(jìn)行實(shí)地探測(cè)。然而月背著陸面臨諸多技術(shù)難題，之前的月球?qū)嵉靥綔y(cè)僅僅局限在月球正面，從未有任何國家成功將探測(cè)器著陸于月球之背。
中國探月工程的嫦娥四號(hào)應(yīng)運(yùn)而生。為了揭開月幔物質(zhì)的秘密，南極-艾特肯盆地被選為嫦娥四號(hào)的著陸地點(diǎn)。2019年1月3日，嫦娥四號(hào)成功著陸于該盆地內(nèi)的馮卡門隕石坑內(nèi)，成為人類歷史上首個(gè)著陸于月球背面的無人探測(cè)器。
嫦娥四號(hào)
著陸當(dāng)天，嫦娥四號(hào)搭載的月球巡視器玉兔2號(hào)就與著陸器分離，開始了它的月面探索之旅。著陸點(diǎn)所在的馮卡門隕石坑 (Von Kármán Crater)，直徑約為186km, 坑內(nèi)地勢(shì)平坦，這為探測(cè)器的著陸與巡視提供了安全前提。
馮卡?隕石坑。圖源：NASA
玉兔2號(hào)上搭載的紅外成像光譜儀（VNIS），對(duì)著陸區(qū)附近兩個(gè)觀測(cè)地點(diǎn)的土壤樣本進(jìn)行了高質(zhì)量的反射光譜觀測(cè)。國家天文臺(tái)與上海技術(shù)物理研究所組成的科研團(tuán)隊(duì)通過分析原始光譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，這里土壤的光譜吸收特征與此前獲得的月球正面月海土壤的光譜吸收特征存在較大差異，這意味著這里的月壤中存在大量橄欖石和低鈣輝石礦物，作者推斷這些物質(zhì)很可能來自深層的月幔。
玉兔2號(hào)。圖源：中國探月
另外，著陸點(diǎn)附近存在眾多隕石坑，其中最年輕的是位于其東北方向的芬森隕石坑（Finsen Crater）, 直徑約為72公里。通過分析覆蓋著陸區(qū)的高分辨率遙感圖像以及高光譜數(shù)據(jù)，李春來和同事發(fā)現(xiàn)，著陸區(qū)東北方向的芬森隕石坑產(chǎn)生的拋射物呈輻射帶狀散布在馮卡門隕石坑平原上，而著陸區(qū)和探測(cè)地點(diǎn)均位于其中一條輻射帶上。
左下為馮卡門隕石坑，右上角為芬森隕石坑。白色虛線為芬森隕石坑的兩條輻射帶所在的位置。白色的小十字是嫦娥四號(hào)的著陸地點(diǎn)。圖源：Li et al, Nature 2019
此地質(zhì)狀況表明，在南極-艾特肯盆地形成之后，造就芬森隕石坑的那場(chǎng)天體撞擊，進(jìn)一步地將盆地之下更深層的物質(zhì)拋射出來，很可能已經(jīng)足夠?qū)⒃箩Ｎ镔|(zhì)拋射出來，而被拋出的物質(zhì)覆蓋了今天嫦娥四號(hào)的著陸地點(diǎn)。因此這一事實(shí)更加鞏固了作者關(guān)于這些礦物來自月幔的論斷。
這一發(fā)現(xiàn)使人類揭開月球內(nèi)部深層物質(zhì)的秘密成為可能，并且證明了此前關(guān)于月幔富含橄欖石推論的可行性，增進(jìn)人類對(duì)于月球形成與演化的認(rèn)知。論文指出，未來玉兔二號(hào)將繼續(xù)觀測(cè)馮卡門隕石坑內(nèi)的月壤，這些寶貴數(shù)據(jù)將有助于我們研究其地質(zhì)起源和元素組成。
論文鏈接：
Li et al. Chang'E-4 initial specturoscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials. Nature. 2019
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1189-0
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