嫦娥四號月球背面發現月幔源物質初步證據

嫦娥四號月球背面發現月幔源物質初步證據


中國科學院國家天文台李春來研究員領導的研究團隊利用嫦娥四號現場的光譜探測數據,證明月球背面南極-艾特肯盆地(South Pole - Aitken)存在以橄欖石和低鈣輝石為主的深部物質,為解答長期困擾學界的月幔物質組成問題提供了直接的實驗證據,為月球形成與演化模型提供了有力的支撐。

有關月球早期演化的理論認為,月殼由是岩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,這一關於月幔組成的理論至今沒有很好地被證實。無論是美國的太陽神任務還是前蘇聯的月球任務,所返回的月球樣品均沒有發現月幔準確物質組成的直接證據。後來,人們意識到隕石撞擊月球所形成的環形山,猶如一口鑽井,可能因為隕石撞穿月殼從而暴露月幔的物質成分。這其中最有希望的,顯然是位於月球背面的南極-艾特肯盆地,月球上最大的、也是最古老的隕石坑,直徑達到二千五百公里。可是此前的探月太空船也沒有發現月幔指示礦物:橄欖石的大量出露的證據。顯然,要證明富橄欖石的月幔假說,我們需要登陸月球背面。

2019年1月3日,中國嫦娥四號降落在月球背面預選著陸區馮·卡門(Von Kármán)環形山內。這是人類太空船首次成功登陸月球背面。這個登陸選址,相對平坦,方便於登陸,又最大可能探測到月幔物質。更重要的是,其不遠處,還有一個芬森(Finsen)環形山,撞擊噴出的物質,可能散落到這裡。後來的數據證明,這是極其關鍵的一點。

1月3日玉兔二號月球車與登陸器分離,它攜帶的紅外成像光譜儀成功獲取登陸區兩個探測點高質量光譜數據。國家天文台和儀器研製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,嫦娥四號登陸區的月球土壤光譜的吸收特徵與月球正面月海玄武岩質月壤光譜的吸收特徵存在著顯著差異,展現出低鈣輝石的光譜特徵,並暗示有大量橄欖石的存在。進一步的分析證實,嫦娥四號登陸區土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於月幔的深部物質。

前面已經提到,嫦娥四號的登陸點位於南極-艾特肯盆地內的馮·卡門環形山內部。早期研究結果顯示它的表面被後來噴發的玄武岩填充。對覆蓋登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,登陸器和月球車位於玄武岩平原的撞擊濺射物上,這些濺射物來自東北方向的芬森環形山。四十多億年前南極-艾特肯盆地形成時已將月球的地殼減薄或完全剝離。芬森環形山是由小天體撞擊南極-艾特肯盆地盆地內部表面而形成,猶如在南極-艾特肯盆地表面打的一口深鑽井一般,進一步將南極-艾特肯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,呈輻射線撒佈在馮卡門撞擊坑平原上。因此,嫦娥四號紅外成像光譜儀分析到的對像是芬森環形山挖掘、拋射到馮·卡門環形山表面的月幔物質。

嫦娥四號首次對月球背面的登陸探測,所得數據的研究結果成功揭露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。未來的嫦娥五號探測會嘗試將樣品送回地球。

【圖、文:節錄自社學術圈網頁;新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在今日出版的《自然》期刊

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