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嫦娥四号月球背面重大成果:发现月幔源物质初步证据

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  来源:知社学术圈

  到月球背面去,到美国人不曾涉足的地方去!北京时间2019年5月16日凌晨,美东时间5月15日下午,Nature杂志在线发表我国探月工程的一项重大发现。

  中国科学院国家天文台李春来研究员领导的研究团队利用嫦娥四号就位光谱探测数据,证明月球背面南极-艾特肯盆地(SPA)存在以橄榄石和低钙辉石为主的深部物质,为解答长期困扰学界的月幔物质组成问题提供了直接的实验证据,为完善月球形成与演化模型提供了有力的支撑。这篇题为Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials的研究论文,由国家天文台、中科院上海技术物理所、和中科院地球化学所三家单位共同完成,中国月球探测工程首席科学家,被誉为“嫦娥之父”的欧阳自远院士也是作者之一。

  有关月球早期演化的理论认为,月壳由是岩浆洋中较轻的斜长石组分上浮结晶形成,而如橄榄石、辉石等较重的矿物下沉形成月幔。然而,这一关于月幔组成的理论至今没有很好地被证实。无论是美国的阿波罗任务还是前苏联的月球任务,所返回的月球样品均没有发现月幔准确物质组成的直接证据。后来,人们意识到陨石撞击月球所形成的环形山,犹如一口钻井,可能因为陨石撞穿月壳从而暴露月幔的物质成分。这其中最有希望的,显然是位于月球背面的南极-艾特肯盆地(SPA),月球上的、也是最古老的陨石坑,直径高达2500公里。可是此前的探月飞行器也没有发现月幔指示矿物—橄榄石的大量出露的证据。显然,要证明富橄榄石的月幔假说,我们需要登陆月球背面。

  2019年1月3日,中国嫦娥四号(CE-4)探测器“定点、定时、”地着陆在月球背面预选着陆区冯卡门坑内。这是人类探测器成功登陆月球背面。这个着陆选址很有讲究,如上图所示,位于SPA的冯卡门陨石坑,月面相对平缓,既便于着陆,又可能探测到月幔物质。更重要的是,其不远处,还有一个小陨石坑Finsen,其被撞击喷出的物质,可能散落到这里。后来的数据表明,这是极其关键的一点。

  1月3日巡视器(玉兔2号)与着陆器分离,其上携带的红外成像光谱仪(VNIS)成功获取了如上图所示着陆区两个探测点高质量光谱数据。国家天文台和仪器研制单位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,CE-4着陆区月壤光谱的吸收特征与月球正面月海玄武岩质月壤光谱的吸收特征存在着显著差异,展现出低钙辉石的光谱特征,并暗示有大量橄榄石的存在,如下图所示。进一步的分析证实,CE-4着陆区月壤物质中橄榄石相对含量,低钙辉石次之,仅含有很少量的高钙辉石。这种矿物组合很可能代表了源于月幔的深部物质。

  前面已经提到,CE-4号探测器的着陆点位于SPA盆地内的冯卡门撞击坑内部。早期研究结果表明其表面被后续喷发的玄武岩所填充。对覆盖着陆区域的高分辨率遥感图像数据和高光谱数据的分析结果显示,着陆器和月球车位于玄武岩“平原”的撞击溅射物上,这些溅射物来自东北方向的芬森(FINSEN)撞击坑,如下图所示。40多亿年前SPA盆地形成时已将月壳减薄或完全剥离。FINSEN坑是由小天体撞击SPA盆地内部表面而形成,其犹如在SPA表面打的一口“深钻”一般,进一步将SPA盆地表面以下月球更深部物质挖掘出,产生的溅射物四处抛射,呈辐射线撒布在冯卡门撞击坑“平原”上。因此,CE-4 VNIS分析到的对象是FINSEN撞击坑挖掘、抛射到冯·卡门撞击坑表面的月幔物质。

  嫦娥四号探测器实现了人类历史上对月球背面的软着陆就位探测。基于探测数据的研究结果成功揭示了月球背面的物质组成,证实了月幔富含橄榄石的推论的正确性,加深了人类对月球形成与演化的认识。据介绍,后续探测会尝试将样品送回地球。

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