“嫦娥四號”揭開月幔之謎

圖中大片陰影區為南極-標記肯盆地

2019年1月11日，互拍的“玉兔二號”巡視器（左）與“嫦娥四號”著陸器（上）。

新聞背景

5月16日，《自然》雜誌發表了來自中國探月團隊的重要突破：“嫦娥四號”在月球背面很可能首次發現月幔物質，這項發現讓人類透過月球表面，探究月球深處的物質組成，並為完善月球形成與演化模型提供有力的支撐。

月幔成分之謎

與地球類似，月球自內向外分別由月核、月幔與月殼構成。45億年前，誕生之初的月球被滾熱的岩漿海覆蓋。不久後，隨著溫度逐漸下降，月殼與月幔的分層開始出現：橄欖石和低鈣輝石首先結晶、沉降到月幔底部；隨後，較輕的斜長石結晶上浮，形成月殼；殘余的高密度岩漿最後在月殼下方固化。

由於月幔上層的礦物密度大於底部的橄欖石，這時的月幔分層並不穩定。因此，地球化學家提出了月幔翻轉模型，認為大量橄欖石最終被帶到月幔上層，成為上月幔的主要成分。

這個故事雖然看似合理，但終究只是理論。要驗證這一假說、掌握更精確的月球礦物構成，就必須對月球進行直接的采樣與測量。

了解月殼相對容易。從蘇聯的“月球9號”月球探測器到美國的“阿波羅”載人登月工程，人類的探測器從月球表面采集、分析並帶回了不少岩石樣本。這些樣本讓我們對月殼的成分有著深入的理解。但是，接觸月幔成分則要難得多。

月殼的平均厚度有40千米。即使在地球上，人類目前最深的鑽井也只有12千米，更不用說在月球上打鑽挖出月幔物質了。

在地球上，由於存在活躍的板塊構造運動，來自地幔的岩漿可以通過火山等構造流向地表。冷卻成岩後，它們成為我們了解地幔的窗口。

月球則截然不同。儘管一項本周發表的最新研究認為月球仍然存在構造活動，甚至能產生“月震”，但要指望月球自身的微弱運動將月幔物質送至月球表面，絕無可能。此前人類對月幔的了解，只能通過記錄月震等間接觀測手段。那麽，人類怎樣才能直接找到來自月幔的物質？

一個可以借助的力量是隕石。當一顆隕石撞向月球，如同投向水面的石子濺起的水花，衝擊力讓撞擊地點周圍地下的物質濺起、落在月球表面。如果隕石質量夠大、速度足夠快，它就有可能成為一枚“深鑽”，穿透月殼讓月幔物質露出表面。

因此，科學家將隕石坑視作發掘月幔物質的絕佳窗口。而月球最大、最古老的隕石坑——南極-標記肯盆地（South Pole-Aitken basin，以下簡稱SPA盆地）成為關注的焦點。SPA盆地位於月球背面，因此直到1959年蘇聯的月球3號探測器首次拍下月球背面的照片，人類才注意到它的存在。

據推測，大約42億年前，一次劇烈的撞擊形成了這個直徑2500千米的巨型盆地。此前的模擬計算認為，這次撞擊足以揚起月幔物質。但當衛星遙感開始分析這片廣袤的盆地，結果卻有些出乎意料：儘管SPA盆地中有大量輝石，但本應隨輝石一同出現的橄欖石卻極少出現。

對此，科學家陸續提出了兩種可能的解釋：一是形成SPA盆地的撞擊沒有想象中的劇烈，或許是速度不夠快，或許是撞擊的角度太小，總之撞擊地點下方的月幔物質依然睡得很安穩；另一種可能性是，此前人們建立的月幔翻轉模型存在錯誤，上月幔中的橄欖石含量沒有模型預計的那麽高。如果是這樣，那麽對於月球演化，尤其是早期月幔流動模型的認識將被改寫。

月幔的秘密就沉睡在月球的另一側，等待著人類探測器的喚醒。

這裡有橄欖石，很多！

2019年1月3日，月球背面的首位訪客終於抵達。它就是“嫦娥四號”。之所以此前的探月項目都沒有選擇在月球背面著陸，一個主要障礙是，月球背面的探測器無法和地球直接建立無線電通信。為此，中國國家航天局提前發射了“鵲橋”月球中繼衛星，以此作為探測器與地球間的通信轉運站站。

經過近1個月的飛行，“嫦娥四號”在SPA盆地內的馮·卡門隕石坑著陸。著陸地點的選擇，一方面考慮了安全性：著陸區地勢平坦，沒有可能導致探測器損毀的障礙；另一方面，研究團隊也考慮了發現月幔物質的可能性。雖然根據此前的遙感分析，產生SPA盆地的撞擊可能沒有直接擊穿月殼，但撞擊大幅削減了月殼厚度。此前的重力場觀測數據也顯示，SPA盆地中部分區域的月殼厚度可能不足10千米。如果在此基礎上再出現一次隕石撞擊，或許月幔成分就能現身了。而馮·卡門隕石坑，正是疊加在盆地上的又一次撞擊。此外，著陸點周圍還有多個隕石坑，包括最年輕的芬森隕石坑。這些撞擊過程如能產生月幔濺射物，也有可能落在探測器的觀測區域。

在登陸月球的當天，“玉兔二號”月球車便與“嫦娥四號”分離，踏上月球探測之旅。“玉兔二號”先後前往著陸點南側與西北側的兩個探測點，使用攜帶的可見光及近紅外成像光譜儀，成功獲取了著陸區兩個探測點的光譜數據。

領導這項研究的國家天文台李春來研究員在接受媒體採訪時談道：“我們一看到數據就感到眼前一亮，因為‘玉兔二號’探測到的譜線與此前‘玉兔號’在月球正面探測到的有很大不同。”

在“嫦娥三號”任務中，“玉兔號”巡視區域的岩石屬於月海玄武岩。中科院國家天文台和中科院上海技術物理所組成的研究團隊通過對光譜數據的分析發現，“玉兔二號”巡視區的月壤光譜吸收特徵與上一次探測存在顯著的差異。

進一步的數據分析證實了這一點。在兩處探測點，橄欖石的佔比分別為48%和55%，低鈣輝石含量次之，而月海玄武岩的主要成分高鈣輝石含量很低。這是人類首次在月球找到高橄欖石含量的岩石樣本。這種礦物組合意味著，其最可能的來源便是上月幔。

月幔中的物質是怎樣出現在月球表面的？結合遙感與光譜數據，研究人員指出了一種可能性：關鍵可能就在於著陸區東北側那個直徑72千米的芬森隕石坑。隕石的撞擊讓盆地下方的月幔物質濺出，其中一部分恰好落在“玉兔二號”的觀測區域。

不過，研究人員也表示，目前的數據只是初步結論，這些物質是否真正來自月幔、月幔的確切組成如何，還需要等待後續任務將岩石樣本帶回地球，從而開展進一步研究。

法國蔚藍海岸天文台的馬克·維佐利克也表示，研究團隊需要排除另一種可能性：這些物質誕生於後期的撞擊過程，它們的物質構成與月幔相似，卻不是真正的月幔物質。此外，根據月球岩漿海的結晶模型，月幔的組成與此次的發現不盡相同。這意味著月球模型需要修正，還是說這些物質根本就不是來自月幔？這些問題都需要進一步研究來判別。

（特約《環球科學》供稿）