嫦娥四號新發現：月球背面深處，蘊藏著這些物質！

圖源：NASA

撰文 | 馬 超

責編 | 陳曉雪

數千年來，人類從未停止過對月球的探索。從古希臘人測量地月距離，到伽利略首次藉助望遠鏡繪製月面圖；從上世紀美國輝煌的阿波羅登月計劃，到今天我國舉世矚目的探月工程，而無人探測器對月球的探測歷史也已超過60載，如今人類對月球表面的認知，遠比對地球的深海深入得多。

阿波羅16號宇航員約翰·楊。 圖源：NASA

然而由於探索技術水平的限制，我們對於月球內部的情況卻了解的很少。通過多年的探索，科學家們已經摸透月球表層（即月殼）物質主要由斜長石礦物組成，並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。但關於月幔物質成分的論斷，一直都沒有直接的證據支持。

地球上的橄欖石晶體，?小僅有數毫米。圖源：NASA

最近，中國科學院國家天文台研究員李春來和其科研團隊，通過分析來自嫦娥四號所獲得的高解析度光譜數據發現，嫦娥四號著陸區附近的月壤中存在大量深層礦物——橄欖石和低鈣輝石。更進一步的分析表明，這些物質很可能來自月殼之下更深層的月幔。

5月16日，國際期刊《自然》刊發了這一研究。

研究者指出，這為長期困擾科學界的月幔成份問題提供了直接證據，有助於進一步研究月幔物質構成以及月球早期形成與演化。

根據月球演化理論，在月球形成初期，頻繁的天體撞擊在月表產生高溫，致使岩石融化，因此月球表面被岩漿的海洋所覆蓋。岩漿海洋中密度較小的物質如斜長石將浮於上層，最後形成月殼，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，岩漿最終凝固，形成現有的月層構造格局。

月殼的平均厚度約為50公里，以目前人類現有的技術水平，通過打穿月殼，來採集月幔樣本進行分析，是不可能的事情。科學家們後來意識到，大型天體的撞擊可能是獲取月幔物質的有效途徑。大型天體與月球表面相撞時，其巨大的能量很可能會撞穿月殼，將深層的月幔物質拋濺到月表。

於是大型古老的撞擊盆地，成為科學家尋找月幔物質的主要目標。

月殼最有可能撞穿的位置位於月球背面的南極-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，形成於40多億年前。然而，此前的月球探測並未發現該盆地表面存在大量月幔指示礦物——橄欖石的直接證據。

月球表面地形的高度分布圖，不同的色彩代表不同的高度，其中的藍色區域為南極艾特肯盆地。圖源：NASA

難道月幔物質主要由橄欖石組成的推斷是錯誤的嗎？這讓科學界重新審視月球演化模型的正確性。

對於解決這一難題，最佳的方式是讓探測器著陸於南極-艾特肯盆地，直接進行實地探測。然而月背著陸面臨諸多技術難題，之前的月球實地探測僅僅局限在月球正面，從未有任何國家成功將探測器著陸於月球之背。

中國探月工程的嫦娥四號應運而生。為了揭開月幔物質的秘密，南極-艾特肯盆地被選為嫦娥四號的著陸地點。2019年1月3日，嫦娥四號成功著陸於該盆地內的馮卡門隕石坑內，成為人類歷史上首個著陸於月球背面的無人探測器。

嫦娥四號。圖源：中國探月

著陸當天，嫦娥四號搭載的月球巡視器玉兔2號就與著陸器分離，開始了它的月面探索之旅。著陸點所在的馮卡門隕石坑 (Von Kármán Crater)，直徑約為186公里，坑內地勢平坦，這為探測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號上搭載的紅外成像光譜儀（VNIS），對著陸區附近兩個觀測地點的土壤樣本進行了高質量的反射光譜觀測。國家天文台與上海技術物理研究所組成的科研團隊通過分析原始光譜數據發現，這裡土壤的光譜吸收特徵與此前獲得的月球正面月海土壤的光譜吸收特徵存在較大差異，這意味著這裡的月壤中存在大量橄欖石和低鈣輝石礦物，作者推斷這些物質很可能來自深層的月幔。

玉兔2號。圖源：中國探月

另外，著陸點附近存在眾多隕石坑，其中最年輕的是位於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的高解析度遙感圖像以及高光譜數據，李春來和同事發現，著陸區東北方向的芬森隕石坑產生的拋射物呈輻射帶狀散布在馮卡門隕石坑平原上，而著陸區和探測地點均位於其中一條輻射帶上。

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的著陸地點。圖源：Li et al, Nature 2019

此地質狀況表明，在南極-艾特肯盆地形成之後，造就芬森隕石坑的那場天體撞擊，進一步地將盆地之下更深層的物質拋射出來，很可能已經足夠將月幔物質拋射出來，而被拋出的物質覆蓋了今天嫦娥四號的著陸地點。因此這一事實更加鞏固了作者關於這些礦物來自月幔的論斷。

這一發現使人類揭開月球內部深層物質的秘密成為可能，並且證明了此前關於月幔富含橄欖石推論的可行性，增進人類對於月球形成與演化的認知。論文指出，未來玉兔二號將繼續觀測馮卡門隕石坑內的月壤，這些寶貴數據將有助於我們研究其地質起源和元素組成。

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

製版編輯 | 皮皮魚

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