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嫦娥四號(hào)與玉兔二號(hào)（圖片來(lái)源：中國(guó)國(guó)家航天局）

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2019年1月，中國(guó)發(fā)射的嫦娥四號(hào)探測(cè)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(cè)器。著陸數(shù)小時(shí)后，“玉兔二號(hào)”月球車從嫦娥四號(hào)釋放。利用玉兔二號(hào)月球車搭載的測(cè)月雷達(dá)，中國(guó)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(duì)于了解月球上火山活動(dòng)與隕石撞擊的歷史，以及月球的地質(zhì)演化過(guò)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?cè)詾榈哪菢语L(fēng)平浪靜。大約45億年前，在太陽(yáng)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(guò)探測(cè)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(guó)的嫦娥四號(hào)探測(cè)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(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究院李春來(lái)、蘇彥領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用月兔二號(hào)月球車搭載的測(cè)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(hào)探測(cè)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(yáng)系內(nèi)已知最大和最古老的隕石撞擊盆地。對(duì)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(hào)著陸數(shù)小時(shí)后，其搭載的“玉兔二號(hào)”月球車完成分離，在馮卡門隕石坑內(nèi)緩慢移動(dòng)，并定期停下來(lái)進(jìn)行一些測(cè)量任務(wù)，目前已經(jīng)行駛了超過(guò)300米。

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2019年7月，NASA的月球勘測(cè)軌道飛行器拍到了月球背面馮卡門隕石坑中的嫦娥四號(hào)探測(cè)器（圖片中央的黑點(diǎn)）和玉兔二號(hào)月球車（西北方向的小黑點(diǎn)）（圖片來(lái)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(guò)研究嫦娥四號(hào)搭載的測(cè)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(guò)大量的隕石撞擊事件，每一次撞擊都會(huì)產(chǎn)生許多碎片，它們會(huì)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。“我們觀測(cè)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(shuō)。

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玉兔二號(hào)月球車攜帶的探月雷達(dá)能夠探測(cè)到月表以下40米深的地層，其探測(cè)能力是2013年12月著陸到月球正面的嫦娥三號(hào)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(hào)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(guò)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(guò)40米時(shí)，雷達(dá)信號(hào)微弱，已經(jīng)無(wú)法推測(cè)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(guò)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(hào)著陸區(qū)域的地下淺層結(jié)構(gòu)，圖片來(lái)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(lái)源：Li et al., 2020）

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目前，我們無(wú)法確定嫦娥四號(hào)探測(cè)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(lái)源于附近的哪個(gè)隕石坑。不過(guò)，我們依然可以通過(guò)這些地層推測(cè)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(lái)源于更遠(yuǎn)的撞擊坑?！岸鄬?duì)的，那些大塊的巖石，應(yīng)該只能落在撞擊位置的附近?！?/p>

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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(guó)和蘇聯(lián)為了探索月球的奧秘，分別啟動(dòng)了阿波羅和Luna登月計(jì)劃。然而當(dāng)時(shí)的探測(cè)器都缺乏嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)具備的雷達(dá)探測(cè)能力，同時(shí)，它們也未能展開對(duì)月球背面的探索。在此之后，美國(guó)航空航天局（NASA）的兩個(gè)“圣杯號(hào)”（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(cè)器曾在2011-2012年進(jìn)行繞月飛行，通過(guò)探測(cè)到的月球引力場(chǎng)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(lái)自中國(guó)的探測(cè)器為我們揭開了月球地下奧秘的一角。

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美國(guó)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(shuō)：“月球與地球的表面區(qū)別很大。”地球表面經(jīng)受了許多復(fù)雜的風(fēng)化和地質(zhì)活動(dòng)，因此發(fā)生過(guò)很大的改變?！岸鴮?duì)于月球來(lái)說(shuō)，僅有的兩種大規(guī)模活動(dòng)，分別是隕石撞擊和火山活動(dòng)，（而探測(cè)到的地層結(jié)構(gòu)）提供了這兩方面活動(dòng)的證據(jù)?！?/p>

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在論文中研究者提出，對(duì)于這種地層結(jié)構(gòu)，最可能的解釋是，火山活動(dòng)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)，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(zhǎng)的探測(cè)器，玉兔二號(hào)月球車仍在月球背面行進(jìn)，探測(cè)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(cè)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(shuō)：“我們正要求探測(cè)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(duì)月球隕石撞擊和火山活動(dòng)歷史的了解，并可能為理解月球背面的地質(zhì)演化過(guò)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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