基于玉兔二號前兩個月晝的探測數(shù)據(jù)，我國科學(xué)家——

解譯月背的地下結(jié)構(gòu)

月背地下3個地層單元的結(jié)構(gòu)示意圖。國家天文臺供圖

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基于“玉兔二號”月球車高頻通道雷達所探測到的數(shù)據(jù)，國家天文臺李春來、蘇彥研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊，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月球撞擊和火山活動歷史的理解，并為月球背面的地質(zhì)演化研究帶來新的啟示。接下來，隨著探測數(shù)據(jù)增多，科研人員會更精準(zhǔn)地進行解譯，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，嫦娥四號探測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”月球車便利用全景相機、紅外線光譜儀、測月雷達等先進儀器，對月球背面展開科學(xué)探索研究。

2020年2月27日，中國科學(xué)院國家天文臺發(fā)布消息稱，國家天文臺李春來、蘇彥研究員領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊，利用“玉兔二號”月球車上的測月雷達，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。這是人類首次揭開月球背面地下結(jié)構(gòu)的神秘面紗，該重要成果于北京時間27日凌晨，在線發(fā)表在國際科學(xué)期刊《科學(xué)·進展》上。

基于高頻通道雷達探測數(shù)據(jù)，識別出月背的3個不同地層單元

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”月球車于著陸后次日早上就已開始工作。此次由國家天文臺帶領(lǐng)中外學(xué)者取得的研究成果，是基于它前兩個月晝期間500兆赫茲的高頻通道雷達所探測到的數(shù)據(jù)。

蘇彥介紹：“‘玉兔二號’月球車的測月雷達好比是一臺給月球做CT的儀器，通過高頻通道探測獲得的數(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。”

研究團隊通過計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)，識別出3個不同地層單元：

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

第二單元從地下12米到24米，這是雷達圖像上回波強度最大的區(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，說明濺射物的沉積不僅僅是地毯式的鋪散，也會伴隨著物質(zhì)之間的剪切、混合、挖掘以及二次撞擊坑結(jié)構(gòu)擾動等復(fù)雜的地質(zhì)過程。

第三單元從地下24米到40米，雷達回波明暗交替變化，是不同時期、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，對于了解撞擊過程對月表的改造、火山活動規(guī)模與歷史等具有非常重要的意義，也將極大提高人們對月球撞擊和火山活動歷史的理解，并為月球背面的地質(zhì)演化研究帶來新的啟示。”李春來說。

揭示月球背面的物質(zhì)組成，證實了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值。自“玉兔二號”月球車登陸月球背面開展科學(xué)探測以來，除上述重要發(fā)現(xiàn)外，中國科學(xué)家還利用它探測到月幔物質(zhì)出露的初步證據(jù)。

有關(guān)月球早期演化的理論認為，月殼是由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)組成的推論至今沒有被很好地證實。

2019年5月，這一推論終于被中國科學(xué)家證實。

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

“嫦娥四號著陸的南極—艾特肯盆地是月球已知最深的盆地，形成于40億年以前，那時候月殼應(yīng)該是很薄的。一個大的撞擊就有可能把外殼打穿，把月球深部的東西露出來。”李春來說。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，但并沒有橄欖石廣泛出露的證據(jù)。這些物質(zhì)是否可能來源于月幔還存在爭議。

“玉兔二號”月球車著陸月球背面的第一天，其搭載的可見—近紅外成像光譜儀即成功獲取了著陸點附近兩個探測點的高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)。研究團隊分析發(fā)現(xiàn)，嫦娥四號著陸區(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，并拋射到了嫦娥四號著陸地點的月幔物質(zhì)。”李春來說。

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，證實了月幔富含橄欖石的推論的正確性，人類對月球內(nèi)部形成與演化的認識又向前邁進了一步。

進入第十五個月晝工作期，將揭示月背地下更深層次的結(jié)構(gòu)

截至目前，嫦娥四號探測器在月球背面的工作時長已超過400天，遠超其設(shè)計壽命；“玉兔二號”月球車克服各項障礙，累計月面行駛370多米。

“玉兔二號”月球車狀況如何，接下來科研人員還將開展哪些研究？

“‘玉兔二號’月球車的設(shè)備狀態(tài)目前依舊很好，我們已經(jīng)開始進行第十五個月晝的數(shù)據(jù)接收工作了。”蘇彥說：“雷達有高頻和低頻兩個通道，其中高頻通道數(shù)據(jù)是用來研究地下淺層結(jié)構(gòu)的。我們這次發(fā)表的成果就是基于淺層的探測數(shù)據(jù)。那么，隨著探測數(shù)據(jù)積累增多，我們將能判斷和識別出著陸區(qū)一個更大范圍的地下結(jié)構(gòu)。”

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

對此，蘇彥進一步解釋：“低頻雷達能夠探測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)天線耦合等問題，干擾信號很強，對地下分層有效信號識別起來會更加困難。隨著‘玉兔二號’月球車行走的距離增加，我們積累的低頻雷達數(shù)據(jù)也會越來越多，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)。”

國家天文臺劉建軍研究員說：“后續(xù)我們將進一步開展著陸區(qū)光譜和雷達探測，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數(shù)據(jù)，持續(xù)開展月球科學(xué)研究。”

“‘玉兔二號’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。”蘇彥說。（記者 吳月輝）

[責(zé)任編輯：楊凡、武云泉]

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