基于玉兔二號(hào)前兩個(gè)月晝的探測(cè)數(shù)據(jù)，我國(guó)科學(xué)家

吳月輝

月背地下3個(gè)地層單元的結(jié)構(gòu)示意圖 ■ 國(guó)家天文臺(tái)供圖

基于“玉兔二號(hào)”月球車高頻通道雷達(dá)所探測(cè)到的數(shù)據(jù)，國(guó)家天文臺(tái)李春來(lái)、蘇彥研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，首次揭示出月球背面著陸區(qū)域地下40米深度內(nèi)的地下分層結(jié)構(gòu)。這將極大提高人們對(duì)月球撞擊和火山活動(dòng)歷史的理解，并為月球背面的地質(zhì)演化研究帶來(lái)新的啟示。接下來(lái)，隨著探測(cè)數(shù)據(jù)增多，科研人員會(huì)更精準(zhǔn)地進(jìn)行解譯，從而揭示月背地下更深層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2019年1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器在月球背面的南極—艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑底部成功著陸。之后，“玉兔二號(hào)”月球車便利用全景相機(jī)、紅外線光譜儀、測(cè)月雷達(dá)等先進(jìn)儀器，對(duì)月球背面展開(kāi)科學(xué)探索研究。

2020年2月27日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)發(fā)布消息稱，國(guó)家天文臺(tái)李春來(lái)、蘇彥研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，利用“玉兔二號(hào)”月球車上的測(cè)月雷達(dá)，首次揭示出月球背面著陸區(qū)域地下40米深度內(nèi)的地下分層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)地下物質(zhì)由低損耗的月壤物質(zhì)和大小不同的大量石塊組成。這是人類首次揭開(kāi)月球背面地下結(jié)構(gòu)的神秘面紗，該重要成果于北京時(shí)間2月27日凌晨，在線發(fā)表在國(guó)際科學(xué)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》上。

識(shí)別月背的三個(gè)不同地層單元

馮·卡門撞擊坑的中心位置為月球南緯44.45度、東經(jīng)176.3度，直徑約186千米，坑內(nèi)地形相對(duì)平坦，坑底被玄武巖填充。玄武巖表面相當(dāng)一部分區(qū)域被周邊大型撞擊坑的濺射物所覆蓋，并廣泛分布著二次撞擊坑。

“玉兔二號(hào)”月球車于著陸后次日早上就已開(kāi)始工作。此次由國(guó)家天文臺(tái)帶領(lǐng)中外學(xué)者取得的研究成果，是基于它前兩個(gè)月晝期間500兆赫茲的高頻通道雷達(dá)所探測(cè)到的數(shù)據(jù)。

蘇彥介紹：“‘玉兔二號(hào)月球車的測(cè)月雷達(dá)好比是一臺(tái)給月球做CT的儀器，通過(guò)高頻通道探測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，我們得到了月球背面地下淺層的第一張雷達(dá)圖像、月表下物質(zhì)的特性參數(shù)以及濺射物內(nèi)部的地層序列?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算分析月球淺層物質(zhì)的特性參數(shù)，包括電磁波在月表下物質(zhì)中的傳播速度、介電常數(shù)、密度、損耗參數(shù)和鈦鐵含量等，并根據(jù)獲得的物性參數(shù)和雷達(dá)圖像，沿著月球車行走的106米路徑上，在深度40米范圍內(nèi)，識(shí)別出3個(gè)不同地層單元：

第一單元為從月球表面到地下12米的細(xì)粒月壤，內(nèi)嵌有少量石塊，此月壤層形成于多個(gè)撞擊坑互疊的濺射物之上，這些濺射物可能來(lái)自周邊的芬森和馮·卡門撞擊坑等。

第二單元從地下12米～24米，這是雷達(dá)圖像上回波強(qiáng)度最大的區(qū)域，表明內(nèi)部存在大量的石塊，甚至形成有碎石層和碎石堆，說(shuō)明濺射物的沉積不僅僅是地毯式的鋪散，也會(huì)伴隨著物質(zhì)之間的剪切、混合、挖掘以及二次撞擊坑結(jié)構(gòu)擾動(dòng)等復(fù)雜的地質(zhì)過(guò)程。

第三單元從地下24米～40米，雷達(dá)回波明暗交替變化，是不同時(shí)期、更古老的濺射物的沉積和風(fēng)化產(chǎn)物。

“月球背面地下結(jié)構(gòu)被首次揭曉，對(duì)于了解撞擊過(guò)程對(duì)月表的改造、火山活動(dòng)規(guī)模與歷史等具有非常重要的意義，也將極大提高人們對(duì)月球撞擊和火山活動(dòng)歷史的理解，并為月球背面的地質(zhì)演化研究帶來(lái)新的啟示?！崩畲簛?lái)說(shuō)。

證實(shí)月幔富含橄欖石推論的正確性

馮·卡門撞擊坑所在的南極—艾特肯盆地是太陽(yáng)系中最古老的撞擊坑之一，保留了原始月球的巖石，具有非常高的科研價(jià)值。自“玉兔二號(hào)”月球車登陸月球背面開(kāi)展科學(xué)探測(cè)以來(lái)，除上述重要發(fā)現(xiàn)外，中國(guó)科學(xué)家還利用它探測(cè)到月幔物質(zhì)出露的初步證據(jù)。

有關(guān)月球早期演化的理論認(rèn)為，月殼是由巖漿洋中較輕的斜長(zhǎng)石組分上浮結(jié)晶形成，而如橄欖石、輝石等較重的礦物則下沉形成月幔。然而，從阿波羅任務(wù)返回的月球樣品中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與月幔物質(zhì)組成有關(guān)的直接證據(jù)，關(guān)于月幔物質(zhì)組成的推論至今沒(méi)有被很好地證實(shí)。

2019年5月，這一推論終于被中國(guó)科學(xué)家證實(shí)。

當(dāng)日凌晨，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)布了一項(xiàng)重要成果：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)李春來(lái)研究組與合作者在利用“玉兔二號(hào)”月球車上搭載的可見(jiàn)—近紅外成像光譜儀的光譜初始觀測(cè)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)的初步證據(jù)。

“嫦娥四號(hào)著陸的南極—艾特肯盆地是月球已知最深的盆地，形成于40億年以前，那時(shí)候月殼應(yīng)該是很薄的。一個(gè)大的撞擊就有可能把外殼打穿，把月球深部的東西露出來(lái)?！崩畲簛?lái)說(shuō)。但是，從現(xiàn)有月球軌道器獲得的遙感數(shù)據(jù)表明，雖然南極—艾特肯盆地區(qū)域的鐵鎂質(zhì)礦物含量偏高，但并沒(méi)有橄欖石廣泛出露的證據(jù)。這些物質(zhì)是否可能來(lái)源于月幔還存在爭(zhēng)議。

“玉兔二號(hào)”月球車著陸月球背面的第一天，其搭載的可見(jiàn)—近紅外成像光譜儀即成功獲取了著陸點(diǎn)附近兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)的高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)分析發(fā)現(xiàn)，嫦娥四號(hào)著陸區(qū)月壤光譜的吸收特征展現(xiàn)出低鈣輝石的光譜特征，并暗示有大量橄欖石的存在。

“進(jìn)一步的地質(zhì)背景分析表明，這些物質(zhì)是由附近直徑72公里的芬森撞擊坑挖掘出來(lái)，并拋射到了嫦娥四號(hào)著陸地點(diǎn)的月幔物質(zhì)?！崩畲簛?lái)說(shuō)。

科研人員表示，這一研究工作成功揭示了月球背面的物質(zhì)組成，證實(shí)了月幔富含橄欖石的推論的正確性，人類對(duì)月球內(nèi)部形成與演化的認(rèn)識(shí)又向前邁進(jìn)了一步。

科研人員將揭示月背地下更深層次的結(jié)構(gòu)

截至目前，嫦娥四號(hào)探測(cè)器在月球背面的工作時(shí)長(zhǎng)已超過(guò)400天，遠(yuǎn)超其設(shè)計(jì)壽命;“玉兔二號(hào)”月球車克服各項(xiàng)障礙，累計(jì)月面行駛370多米。

“玉兔二號(hào)”月球車狀況如何，接下來(lái)科研人員還將開(kāi)展哪些研究？

“‘玉兔二號(hào)月球車的設(shè)備狀態(tài)目前依舊很好，我們已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行第十五個(gè)月晝的數(shù)據(jù)接收工作了?！碧K彥說(shuō)：“雷達(dá)有高頻和低頻兩個(gè)通道，其中高頻通道數(shù)據(jù)是用來(lái)研究地下淺層結(jié)構(gòu)的。我們這次發(fā)表的成果就是基于淺層的探測(cè)數(shù)據(jù)。那么，隨著探測(cè)數(shù)據(jù)積累增多，我們將能判斷和識(shí)別出著陸區(qū)一個(gè)更大范圍的地下結(jié)構(gòu)?！?/p>

科研人員在收集分析“玉兔二號(hào)”月球車測(cè)月雷達(dá)高頻通道探測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)，也在不斷接收和處理其低頻通道探測(cè)數(shù)據(jù)。只是，相對(duì)高頻通道數(shù)據(jù)而言，處理分析雷達(dá)低頻通道數(shù)據(jù)比較困難。

對(duì)此，蘇彥進(jìn)一步解釋：“低頻雷達(dá)能夠探測(cè)到地下幾百米深的地層結(jié)構(gòu)，但由于車體干擾和收發(fā)天線耦合等問(wèn)題，干擾信號(hào)很強(qiáng)，對(duì)地下分層有效信號(hào)識(shí)別起來(lái)會(huì)更加困難。隨著‘玉兔二號(hào)月球車行走的距離增加，我們積累的低頻雷達(dá)數(shù)據(jù)也會(huì)越來(lái)越多，下一步主要工作之一就是更精準(zhǔn)地去解譯這些數(shù)據(jù)，從而揭示月背地下更深層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。”

國(guó)家天文臺(tái)劉建軍研究員說(shuō)：“后續(xù)我們將進(jìn)一步開(kāi)展著陸區(qū)光譜和雷達(dá)探測(cè)，深入研究該區(qū)域的物質(zhì)成分和月表地下結(jié)構(gòu);積累月球背面低頻射電、月表中子及輻射劑量和月表中性原子等探測(cè)數(shù)據(jù)，持續(xù)開(kāi)展月球科學(xué)研究?！?/p>

“‘玉兔二號(hào)月球車現(xiàn)在仍然行駛在濺射物分布的地方，我們希望它能一直保持好的狀態(tài)，走到玄武巖覆蓋區(qū)域?！碧K彥說(shuō)。