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“嫦娥四號”揭開月幔之謎

來源:咸寧網 時間:2019-05-24 09:41

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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)。

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新聞背景

5月16日,《自然》雜志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,并為完善月球形成  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  的月球被滾熱的巖漿海覆蓋。不久后,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;隨后,較輕的斜長石結晶上浮,  形成月殼;殘余的高密度巖漿最后在月殼  下方固化。

由于月幔上層的礦物密度大于底部的  橄欖石,這時的月幔分層并不穩定。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  析并帶回了不少巖石樣本。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,人類目前最深的鉆井也只有12千米,  更不用說在月球上打鉆挖出月幔物質了。  

在地球上,由于存在活躍的板塊構造  運動,來自地幔的巖漿可以通過火山等構  造流向地表。冷卻成巖后,它們成為我們  了解地幔的窗口。\

月球則截然不同。盡管一項本周發表  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。那么,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,沖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  鉆”,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 - 艾 特 肯 盆 地(South  Pole-Aitken basin,以下簡稱 SPA 盆地)  成為關注的焦點。SPA 盆地位于月球背  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:盡管  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么  高。如果是這樣,那么對于月球演化,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。

這里有橄欖石,很多!

2019 年1月3日,月球背面的首位訪客  終于抵達。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中轉站。

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”先后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臺李春來研究  員在接受媒體采訪時談道:“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  域的巖石屬于月海玄武巖。中科院國家天文  臺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征與上一次探測存在  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,橄欖石的占比分別為 48%和  55%,低鈣輝石含量次之,而月海玄武巖的主  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巖石樣本。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:關鍵可能就在于著陸區東北側  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,還需要等待后續任務將巖  石樣本帶回地球,從而開展進一步研究。 

法國蔚藍海岸天文臺的馬克·維佐利克  也表示,研究團隊需要排除另一種可能性:這  些物質誕生于后期的撞擊過程,它們的物質  構成與月幔相似,卻不是真正的月幔物質。  此外,根據月球巖漿海的結晶模型,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。


編輯:chenguo

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