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“嫦娥四号”揭开月幔之谜

来源:咸宁网 时间:2019-05-24 09:41

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2019 年 1 月 11 日,互拍的“玉兔二  号”巡视器(左)与“嫦娥四号”着陆器  (上)。

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新闻背景

5月16日,《自然》杂志发表了来自中国探月  团队的重要突破:“嫦娥四号”在月球背面很可能  首次发现月幔物质,这项发现让人类透过月球表  面,探究月球深处的物?#39318;?#25104;,并为完善月球形成  与演化模型提供有力的支撑。

月幔成分之谜

与地球类似,月球自内向外分别由月  核、月幔与月壳构成。45亿年前,诞生之初  的月球?#36824;?#28909;的?#21307;?#28023;覆盖。不久后,随  着温度逐渐下降,月壳与月幔的分层开始  出现:橄榄石和?#36879;?#36745;石首先结晶、沉降到  月幔底部;随后,较轻的?#32972;?#30707;结晶上浮,  形成月壳;残余的高密度?#21307;?#26368;后在月壳  下?#28966;?#21270;。

由于月幔上层的矿物密度大于底部的  橄榄石,这时的月幔分层并不稳定。因此,  地球化学家提出了月幔翻转模型,认为大  量橄榄石最终被带到月幔上层,成为上月  幔的主要成分。

这个故事虽然看似合理,但?#31449;?#21482;是  理论。要验证这一假说、掌握更精?#36820;?#26376;  球矿物构成,就必须对月球进行直接的采  样与测量。

了解月壳相对容易。从苏联的“月球9  号”月球探测器到美国的“阿波罗”载人登  月工程,人类的探测器从月球表面采集、分  析并带回了不少岩石样本。这些样本让我  ?#23884;?#26376;壳的成分有着深入的理解。但是,  接触月幔成分则要难得多。

月壳的平均厚度有40千米。即使在地  球上,人类目前最深的钻井也只有12千米,  更不用说在月球上打钻挖出月幔物质了。  

在地球上,由于存在活跃的板块构造  运动,来自地幔的?#21307;?#21487;以通过火?#38477;?#26500;  造流向地表。冷却成岩后,它们成为我们  了解地幔的窗口。\

月球则截然不同。尽管一项本周发表  的最新研究认为月球仍然存在构造活动,甚至能产生“月震?#20445;?#20294;要指望月球自身的  微弱运动将月幔物质送至月球表面,绝无  可能。此前人类对月幔的了解,只能通过  记录月震等间接观测手段。那么,人类怎  样?#25293;?#30452;接找到来自月幔的物质?

一个可以借助的力量是陨石。当一颗  陨石撞向月球,如同投向水面的石子溅起  的水花,冲击力让?#19981;?#22320;点周围地下的物  质溅起、落在月球表面。如果陨石质量够  大、速度足够快,它就有可能成为一枚“深  钻?#20445;?#31359;透月壳让月幔物质露出表面。

因此,科学?#21307;?#38504;石坑视作发掘月幔  物质的绝佳窗口。而月球最大、最古老的  陨 石 坑 —— 南 极 - 艾 特 肯 盆 地(South  Pole-Aitken basin,以下简称 SPA 盆地)  成为关注的焦点。SPA 盆地位于月球背  面,因此直到 1959 年苏联的月球 3 号探测  器首?#38395;?#19979;月球背面的照片,人类才注意  到它的存在。

据推测,大约42亿年前,一次剧烈的撞  击形成了这个直径 2500 千米的巨?#22242;? 地。此前的模拟计算认为,这次?#19981;?#36275;以  扬起月幔物质。但当卫星遥感开始分析这  片广袤的盆地,结果却有些出乎意料:尽管  SPA 盆地中有大量辉石,但本应随辉石一  同出现的橄榄石却极少出现。

?#28304;耍?#31185;学家陆续提出了两种可能的  解释:一是形成 SPA 盆地的?#19981;?#27809;有想象  中的剧烈,或许是速度?#36824;?#24555;,或许是?#19981;? 的?#23884;?#22826;小,总之?#19981;?#22320;点下方的月幔物  ?#23460;?#28982;睡得很安稳;另一种可能性是,此前  人们建立的月幔翻转模型存在错误,上月  幔中的橄榄石含量没有模型预计的那么  高。如果是这样,那么?#26434;?#26376;球演化,尤其  是早期月幔流动模型的认识将被改写。 

月幔的秘密就?#20102;?#22312;月球的另一侧,  等待着人类探测器的唤醒。

这里有橄榄石,很多!

2019 年1月3日,月球背面的首位访客  终于抵达。它就是“嫦娥四号”。之所?#28304;?#21069;  的探月项目都没有选择在月球背面着陆,一  个主要障碍是,月球背面的探测器无法和地  球直接建立无线电通信。为此,中国国家航  天局提前发射了“?#30331;擰?#26376;球中继卫星,?#28304;? 作为探测器与地球间的通信中转站。

经过近 1 个月的飞行,“嫦娥四号”在  SPA盆地内的冯·卡门陨石坑着陆。着陆地  点的选择,一方面考虑了安全性:着陆区地势  ?#25945;梗?#27809;有可能导致探测器损毁的障碍;另一  方面,研究团?#21491;部?#34385;了发现月幔物质的可  能性。虽然根据此前的遥感分析,产生SPA  盆地的?#19981;?#21487;能没有直接击穿月壳,但?#19981;? 大幅削减了月壳厚度。此前的重力场观测数  据也显示,SPA盆地中部分区域的月壳厚度  可能不足10千米。如果在此基础上再出现  一次陨石?#19981;鰨?#25110;许月幔成分就能现身了。  而冯·卡门陨石坑,正是叠加在盆地上的又一  次?#19981;鰲?#27492;外,着陆点周围还有多个陨石坑,  包括最年轻的芬森陨石?#21360;?#36825;些?#19981;?#36807;程如  能产生月幔溅射物,也有可能落在探测器的  观测区域。

在登陆月球的当天,“玉兔二号”月球车  便与“嫦娥四号”分离,踏上月球探测之旅。  “玉兔二号”先后前往着陆点南侧与西北侧的  两个探测点,使用携带的可见光及近红外成  像光谱仪,成功获取了着陆区两个探测点的光谱数据。

领导这项研究的国家天文台李春来研究  员在接受媒体采访时谈道:“我们一看到数据  ?#36879;?#21040;眼前一亮,因为‘玉兔二号’探测到的  谱线与此前‘玉兔号’在月球正面探测到的有  很大不同。”

在“嫦娥三号”任务中,“玉兔号”巡视区  域的岩石属于月海玄武岩。中科院国家天文  台和中科院上海技术物理所组成的研究团队  通过对光谱数据的分析发现,“玉兔二号”巡  视区的月壤光谱吸收特征与上一次探测存在  显著的差异。

进一步的数据分析证实了这一点。在两  处探测点,橄榄石的占比分别为 48%和  55%,?#36879;?#36745;石含量次之,而月海玄武岩的主  要成分高钙辉石含量很低。这是人类首次在  月球找到高橄榄石含量的岩石样本。这种矿  物组合意味着,其最可能的来源便是上月幔。 

月幔中的物质是怎样出现在月球表面  的?结合遥感与光谱数据,研究人员指出了  一种可能性:关键可能就在于着陆区东北侧  那个直径72千米的芬森陨石?#21360;?#38504;石的撞  击?#38376;?#22320;下方的月幔物质溅出,其中一部分  恰好落在“玉兔二号”的观测区域。

?#36824;?#30740;究人员也表示,目前的数据只是  初步结论,这些物质是否真正来自月幔、月幔  的确切组成如何,还需要等待后续任务将岩  石样本带回地球,从而开展进一步研究。 

法国?#36947;?#28023;岸天文台的马克·维佐利克  也表示,研究团?#26377;?#35201;排除另一种可能性:这  些物质诞生于后期的?#19981;?#36807;程,它们的物质  构成与月幔相似,却不是真正的月幔物质。  此外,根据月球?#21307;?#28023;的结晶模型,月幔的组  成与此次的发现不尽相同。这意味着月球模  型需要修正,还是说这些物质根本就不是来  自月幔?这些问题都需要进一步研究来判  别。


编辑:chenguo

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