嫦娥四號測月雷達揭開月球背面地下淺層結構的面紗

中國科學院國家天文台李春來、蘇彥研究員領導的科研團隊在月球深空探測領域取得重大發現。該團隊利用嫦娥四號玉兔二號月球車上搭載的測月雷達，首次揭開月球背面登陸區域地下四十米深度內的地質分層結構，發現地下物質由低損耗的月球土壤物質和大小不同的大量石塊組成。這一研究成果對於了解撞擊過程對月表的改造、火山活動規模與歷史等具有非常重要的意義。

2019年1月3日，嫦娥四號探測器成功在月球背面最古老且最大的南極艾特肯（South Pole–Aitken ）盆地內的馮卡門（Von Kármán ）隕石坑底部登陸。馮卡門隕石坑形成於前酒海紀，中心位置為44.45°S，176.3°E ，直徑約為一百八十六公里。坑內地形相對平坦，坑底被玄武岩填充，玄武岩表面相當一部分區域被周邊大型隕石坑的濺射物所覆蓋，並廣泛分佈著二次撞擊產生的隕石坑。

測月雷達好比是一台給月球做電腦斷層掃描（Computed Tomography，簡稱CT）的設備，它在2019年1月4日早上9時29分35秒開始工作。此次由中國科學院國家天文台領導的國內外學者的研究成果，是基於前兩個月晝期間500 MHz 的高頻通道雷達所探測的數據。和嫦娥三號相比，嫦娥四號測月雷達高頻通道的穿透深度是嫦娥三號的三倍多。研究團隊計算分析了月球淺層物質的特性參數，包括電磁波在月表下物質中的傳播速度、介電常數、密度、損耗角正切和鈦鐵含量等。根據獲得的物性參數和雷達圖像，沿著月球車行走的一百零六米的路徑，在深度四十米的範圍內，識別出了三個不同次表層地層單元。第一單元為從月球表面到地下十二米的細粒土壤，內嵌有少量石塊，此月壤層形成於多個隕石坑互疊的濺射物之上，這些濺射物可能來自周邊的芬森（Finsen）和馮卡門L隕石坑等。第二單元從地下十二米到二十四米，這是雷達圖像上回波強度最大的區域，表明內部存在大量的石塊，甚至形成了碎石層和碎石堆，說明濺射物的沉積不僅僅是地毯式的鋪散，也會伴隨著物質之間的剪切、混合、挖掘以及二次撞擊隕石坑結構擾動等複雜的地質過程。第三單元從地下二十四米到四十米，雷達回波明暗交替變化，是不同時期、更古老的濺射物的沉積和風化產物。深度四十米以下雷達訊號微弱，高頻通道雷達訊號已無法推斷其物質特性。結合區域地質歷史，推測在嫦娥四號著陸點附近，完整的月海玄武岩覆蓋在月表以下大於四十米的深度。

這項研究工作通過嫦娥四號測月雷達的直接現場測量，獲得了月球背面地下淺層的第一張雷達圖像、月表下物質的特性參數，以及濺射物內部地層序列。人類首次揭開了月球背面地下結構的神秘面紗，提高了我們對月球撞擊和火山活動歷史的理解，並為月球背面的地質演化研究帶來新的啟示。

【圖、文：節錄自中國科學院國家天文台2020年3月27日新聞公佈】研究全文刊登在2020年3月27日出版的《科學進步》期刊