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嫦娥四號新成果凌晨公布 月球背面深處果然有它們

光明網 2019-05-16 作者:宋雅娟

  5月16日凌晨,國際科學期刊《自然》(Nature)在線發布我國月球探測領域的一項重大發現。中國科學院國家天文臺李春來研究員領導的研究團隊利用嫦娥四號就位光譜探測數據,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,為解答長期困擾國內外學者的有關月幔物質組成的問題提供了直接證據,將為完善月球形成與演化模型提供支撐。

  

  圖1月球內部結構可能的解釋。(a)月球巖漿被設定為深550km,下月幔由原始的未熔融物質組成。CM和CF分別代表質量中心和形態中心(源自Wieczorek, M. et al. in The constitution and structure of the lunar interior. 《Reviews in mineralogy and geochemistry, Vol 60》(eds Joliff, B. et al. Mineralogical Society of America, Chantilly, 2006),P225。(b)月球最內部的物理分層結構(源自Weber et al. Seismic detection of the lunar core. Science, 331, 309-312(2011))。

  有關月球早期演化的理論認為,月殼由是巖漿洋中較輕的斜長石組分上浮結晶形成,而如橄欖石、輝石等較重的礦物下沉形成月幔。然而,這一關于月幔組成的推論至今沒有很好地被證實。李春來介紹,“一方面,美國阿波羅任務和蘇聯月球任務返回的月球樣品中沒有發現與月幔準確物質組成有關的直接證據。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)內并未發現月幔指示礦物—橄欖石的大量出露的證據。”

  這是否說明富橄欖石的月幔假說是錯誤的?帶著揭開月球深部物質成分神秘面紗的使命,嫦娥四號踏上了探索月球背面SPA,為月球起源演化研究提供新數據的征程。

  

  圖2 (a) SPA Chang’E-2 Digital Orthophoto Map (DOM). (b) SPA Chang’E-1 Digital Elevation Model (DEM).白色虛線為SPA盆地邊界。兩個紅色原點分別表示南極點和艾特肯撞擊坑。

  2019年1月3日,嫦娥四號探測器“定點、定時、精確”地著陸在月球背面預選著陸區馮卡門坑內。1月4日巡視器(玉兔2號)與著陸器分離,其上攜帶的紅外成像光譜儀(VNIS)成功獲取了著陸區兩個探測點高質量光譜數據。

  

  圖3(a)A(CE4_0015)探測點VNIS獲得的600nm圖像(b)S1探測點VNIS獲得的600nm圖像(c)全景相機拍攝的探測點S1(CE4_0016)處的全景圖像

  中科院國家天文臺和儀器研制單位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,嫦娥四號著陸區月壤光譜的吸收特征與月球正面月海玄武巖質月壤光譜的吸收特征存在著顯著差異,展現出低鈣輝石的光譜特征,并暗示有大量橄欖石的存在。進一步的分析證實,嫦娥四號著陸區月壤物質中橄欖石相對含量最高,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。

  值得注意的是,嫦娥四號號探測器的著陸點位于SPA盆地內的馮·卡門撞擊坑內部,早期研究結果表明其表面被后續噴發的玄武巖所填充,那么這些不同于玄武巖的深部物質又是如何分布在著陸區域內的?

  對覆蓋著陸區域的高分辨率遙感圖像數據和高光譜數據的分析結果顯示,著陸器和月球車位于玄武巖“平原”的撞擊濺射物上,這些濺射物來自東北方向的芬森(FINSEN)撞擊坑。

  李春來介紹,40多億年前SPA盆地形成時已將月殼減薄或完全剝離。芬森坑是由小天體撞擊SPA盆地內部表面而形成,其猶如在SPA表面打的一口“深鉆”一般,進一步將SPA盆地表面以下月球更深部物質挖掘出,產生的濺射物四處拋射,呈輻射線撒布在馮卡門撞擊坑“平原”上。因此,嫦娥四號 VNIS分析到的對象是FINSEN撞擊坑挖掘、拋射到馮·卡門撞擊坑表面的月幔物質。

  嫦娥四號探測器實現了人類歷史上首次對月球背面的軟著陸就位探測。基于探測數據的研究結果成功揭示了月球背面的物質組成,證實了月幔富含橄欖石的推論的正確性,加深了人類對月球形成與演化的認識。

責任編輯:王超

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