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嫦娥四號與玉兔二號（圖片來源：中國國家航天局）

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2019年1月，中國發(fā)射的嫦娥四號探測器成功在月球背面的馮卡門坑著陸，成為首個(gè)在月球背面軟著陸的探測器。著陸數(shù)小時(shí)后，“玉兔二號”月球車從嫦娥四號釋放。利用玉兔二號月球車搭載的測月雷達(dá)，中國科學(xué)家首次揭露了月球背面著陸區(qū)域地下40米深度內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)。這一研究對于了解月球上火山活動與隕石撞擊的歷史，以及月球的地質(zhì)演化過程具有重要的意義。

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撰文 | Jonathan O'Callaghan

編譯 | 張二七

審校 | 吳非

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早期月球表面其實(shí)并不像我們曾以為的那樣風(fēng)平浪靜。大約45億年前，在太陽系誕生后不久，月球可能就形成了。隨后，它灰暗而荒涼的表面就不斷遭受了許多次隕石撞擊，造就了現(xiàn)在這樣一張布滿碎石的“麻子臉”。然而在這層表面之下，隱藏著最吸引人類探索者的那些秘密。通過探測月球的地層結(jié)構(gòu)，以及撞擊形成的隕石坑和濺射物，人們或許就能了解月球不為人知的歷史。而這些秘密，正在被中國的嫦娥四號探測器逐一揭開。

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在一項(xiàng)發(fā)表于最新的《科學(xué)進(jìn)展》期刊的研究中，中國科學(xué)院國家天文臺研究院李春來、蘇彥領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用月兔二號月球車搭載的測月雷達(dá)，首次揭示了月球背面地下40米深度內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。嫦娥四號探測器發(fā)射于2018年12月，并于2019年1月3日在月球背面的南極-艾肯特盆地內(nèi)的馮·卡門隕石坑底部成功著陸，這也是世界首個(gè)實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸的航天器。

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南極-艾肯特盆地形成于39億年前，直徑約2500千米，是目前太陽系內(nèi)已知最大和最古老的隕石撞擊盆地。對南極-艾肯特盆地的研究，可以幫忙我們理解大型撞擊事件是如何塑造地球及其他系內(nèi)行星的。嫦娥四號著陸數(shù)小時(shí)后，其搭載的“玉兔二號”月球車完成分離，在馮卡門隕石坑內(nèi)緩慢移動，并定期停下來進(jìn)行一些測量任務(wù)，目前已經(jīng)行駛了超過300米。

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2019年7月，NASA的月球勘測軌道飛行器拍到了月球背面馮卡門隕石坑中的嫦娥四號探測器（圖片中央的黑點(diǎn)）和玉兔二號月球車（西北方向的小黑點(diǎn)）（圖片來源：James Stuby改自NASA）

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月球背面的地下淺層結(jié)構(gòu)

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馮卡門隕石坑直徑186千米，是南極-艾肯特盆地中大量隕石撞擊坑中的一個(gè)。通過研究嫦娥四號搭載的測月雷達(dá)所傳回的雷達(dá)圖像，研究者發(fā)現(xiàn)，在著陸區(qū)下方散落著大量濺射物，并且清晰地分為三個(gè)不同的地層。月球表面發(fā)生過大量的隕石撞擊事件，每一次撞擊都會產(chǎn)生許多碎片，它們會以高速噴出，并分散沉積到周圍的月球表面，目前這些濺射物已經(jīng)覆蓋了整個(gè)月球的表面?！拔覀冇^測到了非常清晰的地層層序?！闭撐淖髡咧?，意大利羅馬第三大學(xué)的埃琳娜·佩蒂內(nèi)利（Elena Pettinelli）說。

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玉兔二號月球車攜帶的探月雷達(dá)能夠探測到月表以下40米深的地層，其探測能力是2013年12月著陸到月球正面的嫦娥三號的兩倍以上。根據(jù)目前傳回的物性參數(shù)和雷達(dá)圖像，沿著玉兔二號月球車行走的106米的路徑，其下方40米的地層呈現(xiàn)出清晰的三層：最表層為地下0~12米，主要由細(xì)粒月壤組成，其中嵌有少量碎石；第二層為地下12~24米，這一層是雷達(dá)圖像上回波強(qiáng)度最大的區(qū)域，表明內(nèi)部存在著大量的粗粒礫石，可能是撞擊產(chǎn)生的濺射物沉積后，又發(fā)生了二次撞擊等復(fù)雜的地質(zhì)過程；第三層一直延伸到地下40米深，雷達(dá)回波明暗交替變化，表明其粒度呈現(xiàn)粗粒和細(xì)粒的互層，是更古老的撞擊濺射物的沉積和風(fēng)化產(chǎn)物。深度超過40米時(shí)，雷達(dá)信號微弱，已經(jīng)無法推測其物質(zhì)特性。結(jié)合月球的區(qū)域地質(zhì)歷史，在著陸點(diǎn)附近區(qū)域，在深度超過40米的地方，分布著完整的月海玄武巖。

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圖為嫦娥四號著陸區(qū)域的地下淺層結(jié)構(gòu)，圖片來源：Li et al., 2020

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圖為雷達(dá)回波圖像（A）,雷達(dá)數(shù)據(jù)的層析成像圖（B，紅色代表高反射率，藍(lán)色代表低反射率），和月球地層層序示意圖（C）。（圖片來源：Li et al., 2020）

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目前，我們無法確定嫦娥四號探測器著陸區(qū)域下方地層的確切年齡，以及這些物質(zhì)具體來源于附近的哪個(gè)隕石坑。不過，我們依然可以通過這些地層推測月球的部分演化歷史。佩蒂內(nèi)利表示，撞擊發(fā)生后，較小的噴射物能夠飛得更遠(yuǎn)，因此地層中粒度較小的巖石可能來源于更遠(yuǎn)的撞擊坑?！岸鄬Φ模切┐髩K的巖石，應(yīng)該只能落在撞擊位置的附近。”

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月球的演化歷史

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上世紀(jì)60、70年代，美國和蘇聯(lián)為了探索月球的奧秘，分別啟動了阿波羅和Luna登月計(jì)劃。然而當(dāng)時(shí)的探測器都缺乏嫦娥三號和嫦娥四號具備的雷達(dá)探測能力，同時(shí)，它們也未能展開對月球背面的探索。在此之后，美國航空航天局（NASA）的兩個(gè)“圣杯號”（Gravity Recovery and Interior Laboratory, GRAIL，即重力恢復(fù)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室）探測器曾在2011-2012年進(jìn)行繞月飛行，通過探測到的月球引力場數(shù)據(jù)，它們能夠以非常低的分辨率，提供月球數(shù)百千米深的地層的一些大體特征。而現(xiàn)在，來自中國的探測器為我們揭開了月球地下奧秘的一角。

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美國NASA戈達(dá)德航天中心（Goddard Space Flight Center）的月球科學(xué)家丹尼爾·莫里亞蒂（Daniel Moriarty，并未參與到新論文中）表示，這個(gè)新的發(fā)現(xiàn)非常有趣，因?yàn)樗軌驇椭覀兞私庠虑虻难莼瘹v史。他說：“月球與地球的表面區(qū)別很大?！钡厍虮砻娼?jīng)受了許多復(fù)雜的風(fēng)化和地質(zhì)活動，因此發(fā)生過很大的改變?！岸鴮τ谠虑騺碚f，僅有的兩種大規(guī)?；顒?，分別是隕石撞擊和火山活動，（而探測到的地層結(jié)構(gòu)）提供了這兩方面活動的證據(jù)?！?/p>

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在論文中研究者提出，對于這種地層結(jié)構(gòu)，最可能的解釋是，火山活動形成的月海玄武巖覆蓋了這里，隨后附近的隕石撞擊事件帶來的濺射物逐漸在這里沉積。

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莫里亞蒂指出，在之后的撞擊過程中，底層的月海玄武巖很可能與其他撞擊形成的碎屑混在了一起，因此地層中的一些巨礫巖石可能就是這些玄武巖分解后形成的，而不是由附近的撞擊帶來的。另一種可能就是月幔物質(zhì)在南極-艾肯特盆地形成的那次撞擊中暴露出來，隨后又與其他碎屑混合在一起。

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目前，作為歷史上在月球工作時(shí)間最長的探測器，玉兔二號月球車仍在月球背面行進(jìn)，探測更多此前從未涉足的月球區(qū)域。研究人員希望它能夠觀測到地層中撞擊碎屑的尺寸變化，從而揭露出月球古老的撞擊歷史中的更多細(xì)節(jié)。佩蒂內(nèi)利說：“我們正要求探測器向著（研究人員認(rèn)為的碎屑）粒度發(fā)生變化的方向行進(jìn)?！毖芯空哒J(rèn)為，這可以極大地增進(jìn)我們對月球隕石撞擊和火山活動歷史的了解，并可能為理解月球背面的地質(zhì)演化過程提供新的思路。

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原文鏈接：

https://www.scientificamerican.com/article/chinas-moon-rover-takes-a-deeper-look-at-the-far-side/

論文地址：

https://advances.sciencemag.org/content/6/9/eaay6898

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