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嫦娥四号最新发现帮助揭示月球数十亿年的演化史

时间: 2020年02月28日 | 作者: Jonathan O'Callaghan | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
中国科学家首次揭露了月球背面着陆区域地下40米深度内的地层结构。这一研究对于了解月球上火山活动与陨石撞击的历史,以及月球的地质演化过程具有重要的意义。


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嫦娥四号与玉兔二号(图片来源:中国国家航天局)


2019年1月,中国发射的嫦娥四号探测器成功在月球背面的冯卡门坑着陆,成为首个在月球背面软着陆的探测器。着陆数小时后,“玉兔二号”月球车从嫦娥四号释放。利用玉兔二号月球车搭载的测月雷达,中国科学家首次揭露了月球背面着陆区域地下40米深度内的地层结构。这一研究对于了解月球上火山活动与陨石撞击的历史,以及月球的地质演化过程具有重要的意义。


撰文 | Jonathan O'Callaghan

编译 | 张二七

审校 | 吴非


早期月球表面其实并不像我们曾以为的那样风平浪静。大约45亿年前,在太阳系诞生后不久,月球可能就形成了。随后,它灰暗而荒凉的表面就不断遭受了许多次陨石撞击,造就了现在这样一张布满碎石的“麻子脸”。然而在这层表面之下,隐藏着最吸引人类探索者的那些秘密。通过探测月球的地层结构,以及撞击形成的陨石坑和溅射物,人们或许就能了解月球不为人知的历史。而这些秘密,正在被中国的嫦娥四号探测器逐一揭开。


在一项发表于最新的《科学进展》期刊的研究中,中国科学院国家天文台研究院李春来、苏彦领导的研究团队利用月兔二号月球车搭载的测月雷达,首次揭示了月球背面地下40米深度内的地质结构。嫦娥四号探测器发射于2018年12月,并于2019年1月3日在月球背面的南极-艾肯特盆地内的冯·卡门陨石坑底部成功着陆,这也是世界首个实现月球背面软着陆的航天器。


南极-艾肯特盆地形成于39亿年前,直径约2500千米,是目前太阳系内已知最大和最古老的陨石撞击盆地。对南极-艾肯特盆地的研究,可以帮忙我们理解大型撞击事件是如何塑造地球及其他系内行星的。嫦娥四号着陆数小时后,其搭载的“玉兔二号”月球车完成分离,在冯卡门陨石坑内缓慢移动,并定期停下来进行一些测量任务,目前已经行驶了超过300米。


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2019年7月,NASA的月球勘测轨道飞行器拍到了月球背面冯卡门陨石坑中的嫦娥四号探测器(图片中央的黑点)和玉兔二号月球车(西北方向的小黑点)(图片来源:James Stuby改自NASA)



月球背面的地下浅层结构


冯卡门陨石坑直径186千米,是南极-艾肯特盆地中大量陨石撞击坑中的一个。通过研究嫦娥四号搭载的测月雷达所传回的雷达图像,研究者发现,在着陆区下方散落着大量溅射物,并且清晰地分为三个不同的地层。月球表面发生过大量的陨石撞击事件,每一次撞击都会产生许多碎片,它们会以高速喷出,并分散沉积到周围的月球表面,目前这些溅射物已经覆盖了整个月球的表面。“我们观测到了非常清晰的地层层序。”论文作者之一,意大利罗马第三大学的埃琳娜·佩蒂内利(Elena Pettinelli)说。


玉兔二号月球车携带的探月雷达能够探测到月表以下40米深的地层,其探测能力是2013年12月着陆到月球正面的嫦娥三号的两倍以上。根据目前传回的物性参数和雷达图像,沿着玉兔二号月球车行走的106米的路径,其下方40米的地层呈现出清晰的三层:最表层为地下0~12米,主要由细粒月壤组成,其中嵌有少量碎石;第二层为地下12~24米,这一层是雷达图像上回波强度最大的区域,表明内部存在着大量的粗粒砾石,可能是撞击产生的溅射物沉积后,又发生了二次撞击等复杂的地质过程;第三层一直延伸到地下40米深,雷达回波明暗交替变化,表明其粒度呈现粗粒和细粒的互层,是更古老的撞击溅射物的沉积和风化产物。深度超过40米时,雷达信号微弱,已经无法推测其物质特性。结合月球的区域地质历史,在着陆点附近区域,在深度超过40米的地方,分布着完整的月海玄武岩。


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图为嫦娥四号着陆区域的地下浅层结构,图片来源:Li et al., 2020


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图为雷达回波图像(A),雷达数据的层析成像图(B,红色代表高反射率,蓝色代表低反射率),和月球地层层序示意图(C)。(图片来源:Li et al., 2020)


目前,我们无法确定嫦娥四号探测器着陆区域下方地层的确切年龄,以及这些物质具体来源于附近的哪个陨石坑。不过,我们依然可以通过这些地层推测月球的部分演化历史。佩蒂内利表示,撞击发生后,较小的喷射物能够飞得更远,因此地层中粒度较小的岩石可能来源于更远的撞击坑。“而相对的,那些大块的岩石,应该只能落在撞击位置的附近。”


月球的演化历史


上世纪60、70年代,美国和苏联为了探索月球的奥秘,分别启动了阿波罗和Luna登月计划。然而当时的探测器都缺乏嫦娥三号和嫦娥四号具备的雷达探测能力,同时,它们也未能展开对月球背面的探索。在此之后,美国航空航天局(NASA)的两个“圣杯号”(Gravity Recovery and Interior Laboratory, GRAIL,即重力恢复与内部结构实验室)探测器曾在2011-2012年进行绕月飞行,通过探测到的月球引力场数据,它们能够以非常低的分辨率,提供月球数百千米深的地层的一些大体特征。而现在,来自中国的探测器为我们揭开了月球地下奥秘的一角。


美国NASA戈达德航天中心(Goddard Space Flight Center)的月球科学家丹尼尔·莫里亚蒂(Daniel Moriarty,并未参与到新论文中)表示,这个新的发现非常有趣,因为它能够帮助我们了解月球的演化历史。他说:“月球与地球的表面区别很大。”地球表面经受了许多复杂的风化和地质活动,因此发生过很大的改变。“而对于月球来说,仅有的两种大规模活动,分别是陨石撞击和火山活动,(而探测到的地层结构)提供了这两方面活动的证据。”


在论文中研究者提出,对于这种地层结构,最可能的解释是,火山活动形成的月海玄武岩覆盖了这里,随后附近的陨石撞击事件带来的溅射物逐渐在这里沉积。


莫里亚蒂指出,在之后的撞击过程中,底层的月海玄武岩很可能与其他撞击形成的碎屑混在了一起,因此地层中的一些巨砾岩石可能就是这些玄武岩分解后形成的,而不是由附近的撞击带来的。另一种可能就是月幔物质在南极-艾肯特盆地形成的那次撞击中暴露出来,随后又与其他碎屑混合在一起。


目前,作为历史上在月球工作时间最长的探测器,玉兔二号月球车仍在月球背面行进,探测更多此前从未涉足的月球区域。研究人员希望它能够观测到地层中撞击碎屑的尺寸变化,从而揭露出月球古老的撞击历史中的更多细节。佩蒂内利说:“我们正要求探测器向着(研究人员认为的碎屑)粒度发生变化的方向行进。”研究者认为,这可以极大地增进我们对月球陨石撞击和火山活动历史的了解,并可能为理解月球背面的地质演化过程提供新的思路。


原文链接:

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

论文地址:

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