月球深處有什么？

許琦敏 黃京一

月球背面南極-艾特肯盆地（SPA）存在以橄欖石和低鈣輝石為主的深部物質(zhì)。

月球內(nèi)部的物理分層結(jié)構(gòu)

2019年5月16日，從中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)獲悉，國(guó)際科學(xué)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)布我國(guó)月球探測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)李春來(lái)研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用嫦娥四號(hào)就位光譜探測(cè)數(shù)據(jù)，證明了月球背面南極-艾特肯盆地（SPA）存在以橄欖石和低鈣輝石為主的深部物質(zhì)，為解答長(zhǎng)期困擾國(guó)內(nèi)外學(xué)者的有關(guān)月幔物質(zhì)組成的問(wèn)題提供了直接證據(jù)，將為完善月球形成與演化模型提供支撐。

有關(guān)月球早期演化的理論認(rèn)為，月殼是由巖漿巖中較輕的斜長(zhǎng)石組分上浮結(jié)晶形成，而如橄欖石、輝石等較重的礦物下沉形成月幔。然而，這一關(guān)于月幔組成的推論至今沒(méi)有很好地被證實(shí)。

一方面，美國(guó)阿波羅任務(wù)和蘇聯(lián)月球任務(wù)返回的月球樣品中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)與月幔確切物質(zhì)組成有關(guān)的直接證據(jù)。另一方面，最有可能撞穿月殼的月球背面南極-艾特肯盆地（SPA）內(nèi)，并未發(fā)現(xiàn)月幔指示礦物——橄欖石的大量出露的證據(jù)。這是否說(shuō)明富含橄欖石的月幔假說(shuō)是錯(cuò)誤的？

帶著揭開(kāi)月球深部物質(zhì)成分神秘面紗的使命，嫦娥四號(hào)踏上了探索月球背面SPA，為月球起源演化研究提供新數(shù)據(jù)的征程。

2019年1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器“定點(diǎn)、定時(shí)、精確”地著陸在月球背面預(yù)選著陸區(qū)馮·卡門(mén)坑內(nèi)。1月4日巡視器（玉兔2號(hào)）與著陸器分離，其上攜帶的紅外成像光譜儀（VNIS）成功獲取了著陸區(qū)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)。

國(guó)家天文臺(tái)和儀器研制單位中科院上海技術(shù)物理所組成的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，CE-4著陸區(qū)月壤光譜的吸收特征與月球正面月海玄武巖質(zhì)月壤光譜的吸收特征存在著顯著差異，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)一步的分析證實(shí)，CE-4著陸區(qū)月壤物質(zhì)中橄欖石相對(duì)含量最高，低鈣輝石次之，僅含有很少量的高鈣輝石。這種礦物組合很可能代表了源于月幔的深部物質(zhì)。

值得注意的是，CE-4號(hào)探測(cè)器的著陸點(diǎn)位于SPA盆地內(nèi)的馮·卡門(mén)撞擊坑內(nèi)部，早期研究結(jié)果表明其表面被后續(xù)噴發(fā)的玄武巖所填充，那么這些不同于玄武巖的深部物質(zhì)又是如何分布在著陸區(qū)域內(nèi)的？

對(duì)覆蓋著陸區(qū)域的高分辨率遙感圖像數(shù)據(jù)和高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：著陸器和月球車(chē)位于玄武巖“平原”的撞擊濺射物上，這些濺射物來(lái)自東北方向的芬森（FINSEN）撞擊坑。

40多億年前，SPA盆地形成時(shí)已將月殼減薄或完全剝離。FINSEN坑是由小天體撞擊SPA盆地內(nèi)部表面而形成，其猶如在SPA表面打的一口“深鉆井”一般，進(jìn)一步將SPA盆地表面以下月球更深部物質(zhì)挖掘出，產(chǎn)生的濺射物四處拋射，呈輻射線散布在馮·卡門(mén)撞擊坑“平原”上。因此，CE-4 VNIS分析到的對(duì)象是FINSEN撞擊坑挖掘、拋射到馮·卡門(mén)撞擊坑表面的月幔物質(zhì)。

嫦娥四號(hào)探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)歷史上首次對(duì)月球背面的軟著陸就位探測(cè)。基于探測(cè)數(shù)據(jù)的研究結(jié)果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，加深了人類(lèi)對(duì)月球形成與演化的認(rèn)識(shí)。

(a)、(b)玉兔二號(hào)所搭載的紅外成像光譜儀拍攝到的探測(cè)點(diǎn)光譜圖像；(c)玉兔二號(hào)所搭載的全景相機(jī)拍攝的探測(cè)點(diǎn)影像圖