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嫦娥四号新发现:月球背面深处,蕴藏着这些物质

2019年05月16日 08:38 来源于 财新网
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这一发现使人类揭开月球内部深层物质的秘密成为可能,并且证明了此前关于月幔富含橄榄石推论的可行性,增进人类对于月球形成与演化的认知
玉兔二号巡视器全景相机对嫦娥四号着陆器成像。图/视觉中国

  作品来源:《知识分子》(微信公号:The-Intellectual)

  撰文 | 马超

  责编 | 陈晓雪

  数千年来,人类从未停止过对月球的探索。从古希腊人测量地月距离,到伽利略首次借助望远镜绘制月面图;从上世纪美国辉煌的阿波罗登月计划,到今天我国举世瞩目的探月工程,而无人探测器对月球的探测历史也已超过60载,如今人类对月球表面的认知,远比对地球的深海深入得多。

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阿波罗16号宇航员约翰·杨。 图源:NASA

  然而由于探索技术水平的限制,我们对于月球内部的情况却了解的很少。通过多年的探索,科学家们已经摸透月球表层(即月壳)物质主要由斜长石矿物组成,并推断更深层的月幔很可能是由富含铁、镁元素的橄榄石、辉石等具有更高密度的矿物组成。但关于月幔物质成分的论断,一直都没有直接的证据支持。

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地球上的橄榄石晶体,⼤小仅有数毫米。图源:NASA

  最近,中国科学院国家天文台研究员李春来和其科研团队,通过分析来自嫦娥四号所获得的高分辨率光谱数据发现,嫦娥四号着陆区附近的月壤中存在大量深层矿物——橄榄石和低钙辉石。更进一步的分析表明,这些物质很可能来自月壳之下更深层的月幔。

  5月16日,国际期刊《自然》刊发了这一研究。

  研究者指出,这为长期困扰科学界的月幔成份问题提供了直接证据,有助于进一步研究月幔物质构成以及月球早期形成与演化。

  根据月球演化理论,在月球形成初期,频繁的天体撞击在月表产生高温,致使岩石融化,因此月球表面被岩浆的海洋所覆盖。岩浆海洋中密度较小的物质如斜长石将浮于上层,最后形成月壳,而密度较高的橄榄石、辉石等则下沉,形成月幔。随着月球热量的不断散失,岩浆最终凝固,形成现有的月层构造格局。

  月壳的平均厚度约为50公里,以目前人类现有的技术水平,通过打穿月壳,来采集月幔样本进行分析,是不可能的事情。科学家们后来意识到,大型天体的撞击可能是获取月幔物质的有效途径。大型天体与月球表面相撞时,其巨大的能量很可能会撞穿月壳,将深层的月幔物质抛溅到月表。

  于是大型古老的撞击盆地,成为科学家寻找月幔物质的主要目标。

  月壳最有可能撞穿的位置位于月球背面的南极-艾特肯盆地(South Pole-Aitken Basin),它是月球上最大、最古老的撞击盆地,直径约2500公里,形成于40多亿年前。然而,此前的月球探测并未发现该盆地表面存在大量月幔指示矿物——橄榄石的直接证据。

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月球表面地形的高度分布图,不同的色彩代表不同的高度,其中的蓝色区域为南极艾特肯盆地。图源:NASA

  难道月幔物质主要由橄榄石组成的推断是错误的吗?这让科学界重新审视月球演化模型的正确性。

  对于解决这一难题,最佳的方式是让探测器着陆于南极-艾特肯盆地,直接进行实地探测。然而月背着陆面临诸多技术难题,之前的月球实地探测仅仅局限在月球正面,从未有任何国家成功将探测器着陆于月球之背。

  中国探月工程的嫦娥四号应运而生。为了揭开月幔物质的秘密,南极-艾特肯盆地被选为嫦娥四号的着陆地点。2019年1月3日,嫦娥四号成功着陆于该盆地内的冯卡门陨石坑内,成为人类历史上首个着陆于月球背面的无人探测器。

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嫦娥四号。图源:中国探月

  着陆当天,嫦娥四号搭载的月球巡视器玉兔2号就与着陆器分离,开始了它的月面探索之旅。着陆点所在的冯卡门陨石坑 (Von Kármán Crater),直径约为186公里,坑内地势平坦,这为探测器的着陆与巡视提供了安全前提。

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冯卡⻔陨石坑。图源:NASA

  玉兔2号上搭载的红外成像光谱仪(VNIS),对着陆区附近两个观测地点的土壤样本进行了高质量的反射光谱观测。国家天文台与上海技术物理研究所组成的科研团队通过分析原始光谱数据发现,这里土壤的光谱吸收特征与此前获得的月球正面月海土壤的光谱吸收特征存在较大差异,这意味着这里的月壤中存在大量橄榄石和低钙辉石矿物,作者推断这些物质很可能来自深层的月幔。

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玉兔2号。图源:中国探月

  另外,着陆点附近存在众多陨石坑,其中最年轻的是位于其东北方向的芬森陨石坑(Finsen Crater),直径约为72公里。通过分析覆盖着陆区的高分辨率遥感图像以及高光谱数据,李春来和同事发现,着陆区东北方向的芬森陨石坑产生的抛射物呈辐射带状散布在冯卡门陨石坑平原上,而着陆区和探测地点均位于其中一条辐射带上。

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左下为冯卡门陨石坑,右上角为芬森陨石坑。白色虚线为芬森陨石坑的两条辐射带所在的位置。白色的小十字是嫦娥四号的着陆地点。图源:Li et al, Nature 2019

  此地质状况表明,在南极-艾特肯盆地形成之后,造就芬森陨石坑的那场天体撞击,进一步地将盆地之下更深层的物质抛射出来,很可能已经足够将月幔物质抛射出来,而被抛出的物质覆盖了今天嫦娥四号的着陆地点。因此这一事实更加巩固了作者关于这些矿物来自月幔的论断。

  这一发现使人类揭开月球内部深层物质的秘密成为可能,并且证明了此前关于月幔富含橄榄石推论的可行性,增进人类对于月球形成与演化的认知。论文指出,未来玉兔二号将继续观测冯卡门陨石坑内的月壤,这些宝贵数据将有助于我们研究其地质起源和元素组成。

  论文链接:

  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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