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嫦娥四号探测成果出炉:首份月幔源物质初步证据

人类近60年来的探月工程揭示,月球表层即月壳以斜长石矿物为主,月壳覆盖着的月幔则可能更富镁铁质(富含铁和镁)。然而多年来,科学家一直难以探明月幔的详细结构。

北京时间5月16日凌晨,国际顶级学术期刊《自然》(Nature)在线发表了一篇来自中国科学家的成果:中国的嫦娥四号月球探测器在月球背面的冯·卡门陨石坑(Von Kármán crater)着陆,并部署了玉兔二号月球车对南极-艾托肯盆地(South Pole-Aitken)进行探测,科学家利用可视-近红外成像光谱仪(VINS)的光谱初始观测结果推断出,月球表面存在的低钙辉石和橄榄石矿物可能起源于月球地幔。这也是人类首份月球背面幔源物质初步证据。

中国科学院国家天文台副台长、月球与深空探测研究部主任李春来为该论文的第一作者及通讯作者,月球与深空探测研究部任鑫、刘建军为共同通讯作者。研究工作由中国科学院国家天文台、中科院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室、中科院地球化学研究所共同完成。中国探月工程首席科学家,被誉为“嫦娥之父”的欧阳自远院士也是论文的作者之一。

和太阳系很多其他的行星类似,月球被认为经历了岩浆海洋阶段,在这个阶段,月球大部分或完全处于熔融状态。有关月球早期演化的理论认为,月壳由是岩浆洋中较轻的斜长石组分上浮结晶形成,而如橄榄石、辉石等较重的矿物下沉形成月幔。然而,这一关于月幔组成的推论至今没有很好地被证实。

月幔的特征,特别是在其组成、结构和层理方面,仍然是不确定的,而且缺乏文献记载。法国图卢兹大学-法国国家科学研究中心(CNRS)、天体物理与行星学研究所(IRAP)的Patrick Pinet在撰写的解读文章中写道:令人惊讶的是,美国国家航空航天局(NASA)的阿波罗飞船和苏联的月球探测器都着落在月球近侧,但都没有带回来自月幔的样本。

为探究月幔,各国科学家将注意力重点放在了撞击坑上。一般认为,导致撞击坑形成的物体可能会穿透月球的壳层,直抵月球内部,致使部分月幔物质被带到月球表面。月球上最大、最深、最古老的陨石坑是位于月球背面的南极-艾特肯盆地(South Pole-Aitken basin),直径2500公里,形成于40多亿年前。

NASA此前的GRAIL计划(任务为精确探测并绘制月球的重力场图以判断月球内部构造)获得的该撞击坑大小和地壳厚度的数据则表明,它可能是由一次撞击事件造成的,那次撞击穿透了月球的月壳和内部。因此,探测南极-艾特肯盆地一直是国际科学家们所期待的。

而中国探月工程(CLEP)正是实现世界首次月球背面软着陆和巡视探测。2018年5月,中国发射了“鹊桥”中继卫星,该卫星是一颗服务嫦娥四号的地月间通信卫星,为随后的月球背面探测和采样返回铺平道路。

2019年1月3日,嫦娥四号在南极-艾特肯盆地着陆,成为人类历史上首个着陆于月球背面的无人探测器。论文中提到,着陆地选择最主要的考虑在于科学目标、着陆的安全性,为尽可能对月球地幔物质取样,着陆地点选择在相对平坦的南极-艾特肯盆地内的冯?卡门陨石坑(Von Kármán crater,直径约186公里),并部署了玉兔二号月球车对南极-艾特肯盆地进行探测。

论文中介绍到,嫦娥四号着陆月球的第一天,可视-近红外成像光谱仪即成功获取了陆点附近两个两个探测点的高质量光谱数据。研究人员对数据分析后发现,他们所获的光谱数据和典型的月球表面物质的光谱数据存在差异。这也就意味着,着陆点附近检测到的这些物质与从月球表面采集到的大多数样品明显不同。特别地,这些材料含有镁铁质成分,主要是橄榄石(olivine)和低钙辉石(LCP)的混合物,高钙辉石(HCP)的含量则极低。

研究人员据此推断,月球表面存在的低钙辉石和橄榄石矿物可能来自月球的上地幔。

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