嫦娥四號探測成果出爐：人類首份月球背面幔源物質初步證據

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(富含鐵和鎂)。然而多年來，科學家一直難以探明月幔的詳細結構。

 

 

北京時間5月16日淩晨，國際頂級學術期刊《自然》（Nature）在線發表了一篇來自中國科學家的成果：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，並部署了玉兔二號月球車對南極-艾托肯盆地（South Pole-Aitken）進行探測，科學家利用可視-近紅外成像光譜儀（VINS）的光譜初始觀測結果推斷出，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能起源於月球地幔。這也是人類首份月球背面幔源物質初步證據。

 

中國科學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院國家天文臺、中科院上海技術物理研究所空間主動光電技術重點實驗室、中科院地球化學研究所共同完成。中國探月工程首席科學家，被譽為“嫦娥之父”的歐陽自遠院士也是論文的作者之一。

 

和太陽系很多其他的行星類似，月球被認為經歷了岩漿海洋階段，在這個階段，月球大部分或完全處於熔融狀態。有關月球早期演化的理論認為，月殼由是岩漿洋中較輕的斜長石組分上浮結晶形成，而如橄欖石、輝石等較重的礦物下沉形成月幔。然而，這一關於月幔組成的推論至今沒有很好地被證實。

 

月幔的特徵，特別是在其組成、結構和層理方面，仍然是不確定的，而且缺乏文獻記載。法國圖盧茲大學-法國國家科學研究中心（CNRS）、天體物理與行星學研究所（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的月球探測器都著落在月球近側，但都沒有帶回來自月幔的樣本。

 

為探究月幔，各國科學家將注意力重點放在了撞擊坑上。一般認為，導致撞擊坑形成的物體可能會穿透月球的殼層，直抵月球內部，致使部分月幔物質被帶到月球表面。月球上最大、最深、最古老的隕石坑是位於月球背面的南極-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（任務為精確探測並繪製月球的重力場圖以判斷月球內部構造）獲得的該撞擊坑大小和地殼厚度的數據則表明，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部。因此，探測南極-艾特肯盆地一直是國際科學家們所期待的。

 

而中國探月工程（CLEP）正是實現世界首次月球背面軟著陸和巡視探測。2018年5月，中國發射了“鵲橋”中繼衛星，該衛星是一顆服務嫦娥四號的地月間通信衛星，為隨後的月球背面探測和採樣返回鋪平道路。

 

 

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於科學目標、著陸的安全性，為盡可能對月球地幔物質取樣，著陸地點選擇在相對平坦的南極-艾特肯盆地內的馮 卡門隕石坑（Von Kármán crater，直徑約186公里），並部署了玉兔二號月球車對南極-艾特肯盆地進行探測。

 

 

論文仲介紹到，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附近兩個兩個探測點的高品質光譜數據。研究人員對數據分析後發現，他們所獲的光譜數據和典型的月球表面物質的光譜數據存在差異。這也就意味著，著陸點附近檢測到的這些物質與從月球表面採集到的大多數樣品明顯不同。特別地，這些材料含有鎂鐵質成分，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，這些物質來源於探測點附近的芬森撞擊坑（Finsen impact crater）撞擊事件。芬森坑撞擊事件進一步將南極-艾托肯盆地更深部物質挖掘出，産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-艾托肯盆地內部表面而形成，直徑72公里，位於著陸點的東北方向。

 

 

研究人員最後寫道，除了上述推斷之外，他們的研究結果還證實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測並不能被排除，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佔主要成分、橄欖石極少。

 

Pinet也表示，“李春來及其同事的研究結果是令人興奮的，這對於確定月幔的組成具有重要的意義。從更廣泛的意義上説，作者的發現可能也會影響我們對月球內部形成和演化的理解。”

 

研究人員提到，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。據介紹，後續探測會嘗試將樣品送回地球。