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月球内部有什么?中国科学家找出了答案

时间:2019-05-17|栏目: 天文 • 物理 |点击:9


    月球内部有什么?中国科学家找出了答案

    “玉兔2号”月球车


    今天,《自然》杂志发表了一篇来自中国探月团队的重要突破:“嫦娥4号”在月球背面首次发现月幔物质,这项发现让人类透过月球表面,窥视月球深处的物质组成,并为完善月球形成与演化模型提供有力的支撑。


    撰文 | 吴非


    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,诞生之初的月球被滚热的岩浆海覆盖。不久后,随着温度逐渐下降,月壳与月幔的分层开始出现:较轻的斜长石等矿物上浮,形成月壳;而更重的橄榄石、辉石等下沉形成月幔。


    这个故事虽然看似合理,但终究只是理论。要验证这一假说、掌握更精确的月球矿物构成,就必须对月球进行直接的采样与测量。


    月球内部有什么?中国科学家找出了答案

    月球结构示意图(图片来源:wikipedia)


    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。这些样本让我们对月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,来自地幔的岩浆可以通过火山等构造流向地表。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”,但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。那么,人类怎样才能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渐起的水花,冲击力让撞击地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”,穿透月壳、让月幔物质露出表面。


    因此,科学家将陨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,以下简称盆地)成为关注的焦点。南极-艾特肯盆地位于月球背面,因此直到1959年苏联的月球3号探测器首次拍下月球背面的照片,人类才注意到它的存在。


    月球内部有什么?中国科学家找出了答案

    图中大片阴影区为南极-艾特肯盆地(图片来源:NASA/Goddard Space Flight Center)


    大约42亿年前,一次剧烈的撞击形成了这个直径2500千米的巨型盆地。此前的模拟计算认为,这次撞击足以扬起月幔物质。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被测出。


    对此,科学家陆续提出了两种可能的解释:一是形成SPA的撞击没有想象中的剧烈,或许是速度不够快,或许是撞击的角度太小,总之撞击地点下方的月幔物质依然睡得很安稳;另一种可能性是,此前我们对月幔的认识存在偏差,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,那么对于月球演化,尤其是早期月幔流动模型的认识将被改写。


    月幔的秘密就沉睡在月球的另一侧,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4号”。之所以此前的探月项目都没有选择在月球背面着陆,一个障碍主要在于,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“鹊桥”月球中继卫星,以此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4号”在SPA内的冯·卡门陨石坑(Von Kármán crater)着陆。着陆地点的选择,一方面考虑了安全性:着陆区地势平坦,没有可能导致探月器损毁的障碍;另一方面,研究团队也考虑了发现月幔物质的可能性。虽然根据此前的遥感分析,产生盆地的撞击可能没有直接击穿月壳,但撞击大幅削减了月壳厚度。如果在此基础上再来一次陨石撞击,或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撞击。此外,着陆点周围还有多个陨石坑,包括最年轻的芬森(Finsen)陨石坑。这些撞击过程如能产生月幔溅射物,也有可能落在探月器的观测区域。


    月球内部有什么?中国科学家找出了答案

    “嫦娥4号”着陆区示意图(图片来源:研究论文)


    在登陆月球的当天,“玉兔2号”月球车便与嫦娥4号分离,踏上月球探测之旅。“玉兔2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。


    月球内部有什么?中国科学家找出了答案

    “玉兔2号”运行轨迹图(图片来源:国家航天局)


    领导了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到:“我们一看到数据就感到眼前一亮,因为‘玉兔2号’探测到的谱线与此前在月球正面探测到的有很大不同。”


    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%,低钙辉石含量次之,仅含有很少量的高钙辉石。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,关键可能就在于着陆区东北侧那个直径72千米的芬森陨石坑。陨石的撞击让盆地下方的月幔物质溅出,恰好落在在“玉兔2号”的观测区域。


    不过,研究人员也表示,目前的数据只是初步结论,这些物质是否真正来自月幔、月幔的确切组成是如何,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。


    法国蔚蓝海岸天文台的Mark Wieczorek也表示,研究团队需要排除另一种可能性:这些物质诞生于产生盆地的撞击过程,它们的物质构成与月幔相似,却不是真正的月幔物质。此外,根据月球岩浆海的结晶模型,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的?这些问题都需要进一步研究来判别。


    原始论文:

    Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials

    https://doi.org/10.1038/s41586-019-1189-0


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