嫦娥四號探測成果出爐：人類首份月球背面幔源物質(zhì)初步證據(jù)

人類近60年來的探月工程揭示，月球表層即月殼以斜長石礦物為主，月殼覆蓋著的月幔則可能更富鎂鐵質(zhì)(富含鐵和鎂)。然而多年來，科學(xué)家一直難以探明月幔的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。

 

 

北京時間5月16日凌晨，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了一篇來自中國科學(xué)家的成果：中國的嫦娥四號月球探測器在月球背面的馮 卡門隕石坑（Von Kármán crater）著陸，并部署了玉兔二號月球車對南極-艾托肯盆地（South Pole-Aitken）進(jìn)行探測，科學(xué)家利用可視-近紅外成像光譜儀（VINS）的光譜初始觀測結(jié)果推斷出，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能起源于月球地幔。這也是人類首份月球背面幔源物質(zhì)初步證據(jù)。

 

中國科學(xué)院國家天文臺副臺長、月球與深空探測研究部主任李春來為該論文的第一作者及通訊作者，月球與深空探測研究部任鑫、劉建軍為共同通訊作者。研究工作由中國科學(xué)院國家天文臺、中科院上海技術(shù)物理研究所空間主動光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室、中科院地球化學(xué)研究所共同完成。中國探月工程首席科學(xué)家，被譽(yù)為“嫦娥之父”的歐陽自遠(yuǎn)院士也是論文的作者之一。

 

和太陽系很多其他的行星類似，月球被認(rèn)為經(jīng)歷了巖漿海洋階段，在這個階段，月球大部分或完全處于熔融狀態(tài)。有關(guān)月球早期演化的理論認(rèn)為，月殼由是巖漿洋中較輕的斜長石組分上浮結(jié)晶形成，而如橄欖石、輝石等較重的礦物下沉形成月幔。然而，這一關(guān)于月幔組成的推論至今沒有很好地被證實(shí)。

 

月幔的特征，特別是在其組成、結(jié)構(gòu)和層理方面，仍然是不確定的，而且缺乏文獻(xiàn)記載。法國圖盧茲大學(xué)-法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）、天體物理與行星學(xué)研究所（IRAP）的Patrick Pinet在撰寫的解讀文章中寫道：令人驚訝的是，美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅飛船和蘇聯(lián)的月球探測器都著落在月球近側(cè)，但都沒有帶回來自月幔的樣本。

 

為探究月幔，各國科學(xué)家將注意力重點(diǎn)放在了撞擊坑上。一般認(rèn)為，導(dǎo)致撞擊坑形成的物體可能會穿透月球的殼層，直抵月球內(nèi)部，致使部分月幔物質(zhì)被帶到月球表面。月球上最大、最深、最古老的隕石坑是位于月球背面的南極-艾特肯盆地（South Pole-Aitken basin），直徑2500公里，形成于40多億年前。

 

NASA此前的GRAIL計劃（任務(wù)為精確探測并繪制月球的重力場圖以判斷月球內(nèi)部構(gòu)造）獲得的該撞擊坑大小和地殼厚度的數(shù)據(jù)則表明，它可能是由一次撞擊事件造成的，那次撞擊穿透了月球的月殼和內(nèi)部。因此，探測南極-艾特肯盆地一直是國際科學(xué)家們所期待的。

 

而中國探月工程（CLEP）正是實(shí)現(xiàn)世界首次月球背面軟著陸和巡視探測。2018年5月，中國發(fā)射了“鵲橋”中繼衛(wèi)星，該衛(wèi)星是一顆服務(wù)嫦娥四號的地月間通信衛(wèi)星，為隨后的月球背面探測和采樣返回鋪平道路。

 

 

2019年1月3日，嫦娥四號在南極-艾特肯盆地著陸，成為人類歷史上首個著陸于月球背面的無人探測器。論文中提到，著陸地選擇最主要的考慮在于科學(xué)目標(biāo)、著陸的安全性，為盡可能對月球地幔物質(zhì)取樣，著陸地點(diǎn)選擇在相對平坦的南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮 卡門隕石坑（Von Kármán crater，直徑約186公里），并部署了玉兔二號月球車對南極-艾特肯盆地進(jìn)行探測。

 

 

論文中介紹到，嫦娥四號著陸月球的第一天，可視-近紅外成像光譜儀即成功獲取了陸點(diǎn)附近兩個兩個探測點(diǎn)的高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)。研究人員對數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，他們所獲的光譜數(shù)據(jù)和典型的月球表面物質(zhì)的光譜數(shù)據(jù)存在差異。這也就意味著，著陸點(diǎn)附近檢測到的這些物質(zhì)與從月球表面采集到的大多數(shù)樣品明顯不同。特別地，這些材料含有鎂鐵質(zhì)成分，主要是橄欖石（olivine）和低鈣輝石（LCP）的混合物，高鈣輝石（HCP）的含量則極低。

 

研究人員據(jù)此推斷，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能來自月球的上地幔。

 

 

研究人員在論文中還提出，這些物質(zhì)來源于探測點(diǎn)附近的芬森撞擊坑（Finsen impact crater）撞擊事件。芬森坑撞擊事件進(jìn)一步將南極-艾托肯盆地更深部物質(zhì)挖掘出，產(chǎn)生的濺射物四處拋射，呈輻射線撒布在馮 卡門撞擊坑“平原”上。

 

芬森撞擊坑是月球背面南部一座較年輕的大撞擊坑，由小天體撞擊南極-艾托肯盆地內(nèi)部表面而形成，直徑72公里，位于著陸點(diǎn)的東北方向。

 

 

研究人員最后寫道，除了上述推斷之外，他們的研究結(jié)果還證實(shí)了月幔富含橄欖石的推論的正確性。月球地幔富含橄欖石這一預(yù)測并不能被排除，月幔可能主要由低鈣輝石和橄欖石組成，而不是僅由低鈣輝石占主要成分、橄欖石極少。

 

Pinet也表示，“李春來及其同事的研究結(jié)果是令人興奮的，這對于確定月幔的組成具有重要的意義。從更廣泛的意義上說，作者的發(fā)現(xiàn)可能也會影響我們對月球內(nèi)部形成和演化的理解。”

 

研究人員提到，未來玉兔二號將繼續(xù)觀測馮 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。據(jù)介紹，后續(xù)探測會嘗試將樣品送回地球。