点击右上角微信好友

朋友圈

点击浏览器下方“”分享微信好友Safari浏览器请点击“”按钮

正在阅读:嫦娥四号新发现!找到月球背面幔源物质初步证据
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

嫦娥四号新发现!找到月球背面幔源物质初步证据

来源:光明网2019-05-16 18:06

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  作为地球最亲近的邻居,人类对月球的探索从未停止。随着科技的发展,一张张高清晰的月球图像传回地球,让人们对月球有了越来越多的了解。然而,人类探索的脚步至今只停留在月球表面。在月壳之下,月幔的成分究竟是什么?对这一事关月球形成与演化的重大问题,科学界一直未有答案。

  今日凌晨,国际科学期刊《自然》(Nature)在线发布了题为Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials的文章,这是我国月球与行星探测领域的一项重大发现。中国科学院国家天文台李春来研究团队利用嫦娥四号就位光谱探测数据,发现并证明了嫦娥四号着陆区的物质成分明显区别于月球正面的月海玄武岩,为富含橄榄石和低钙辉石的镁铁质物质,这种矿物组合很可能源于月幔,为冯·卡门(Von Kármán)撞击坑东北部芬森(Finsen)撞击坑的溅射物,研究成果加深了我们对月幔物质主要由哪些矿物组成的理解。

  嫦娥四号的使命

  嫦娥四号探测器于2019年1月3日10时26分(北京时间)成功着陆在月球背面的冯·卡门坑预选着陆区内,这是中国也是国际首个开展月球背面软着陆和巡视勘察的探测器。嫦娥四号任务之前,人类已成功实施了20次月球软着陆探测任务,但无一例外全部集中在月球的正面区域(图1),月球背面始终是软着陆和巡视探测的空白区。中国实施的嫦娥四号任务,采用着陆器、巡视器和地月L2点中继星相结合的方式,首次在远达50万公里位置,实现月球背面与地球的中继通信,开启了人类月球探测历史的新篇章。

嫦娥四号新发现!找到月球背面幔源物质初步证据

  图1 人类成功实施的月球软着陆探测任务分布图 图片来源:Nature Geoscience, 2019,https://doi.org/10.1038/s41561-019-0341-7

  嫦娥四号由着陆器、巡视器(“玉兔二号”月球车)和中继星组成,共携带了9种科学有效载荷,通过这些载荷配置共同完成嫦娥四号的科学目标:开展月球背面低频射电天文观测与研究;开展月球背面巡视区形貌、矿物组分和巡视区浅层结构探测与研究;试验性地开展月球背面中子辐射剂量、中性原子等月球环境探测。今年3月28日,嫦娥四号任务概况及初步探测成果已发表在Nature Geosicence期刊上(Weiren Wu, Chunlai Li* et al. 2019)

  搭载在“玉兔二号”月球车上的红外成像光谱仪(VNIS)由中国科学院上海技术物理所研制,主要用来完成月球背面巡视区矿物组分的探测任务。VNIS安装在月球车的前部,位于距月面0.69米的高度,以45°角对月球表面进行探测,由一个高光谱成像探测器和一个单点光谱仪组成。此次发表在Nature期刊的论文即是利用VNIS获取的矿物探测数据分析所取得的研究成果。

  去哪里探测月球深部月幔物质?

  与地球相似,月球由核、幔、壳构成。科学家根据月球早期演化理论推断,随月球岩浆演化,较轻的斜长石组分上浮结晶形成月壳,而橄榄石、辉石等较重的矿物下沉结晶形成月幔(图2)。但因月壳比较厚,采集到的月球样品都来自月球最表面的一层。而且月球已经基本没有火山和板块运动,所以在月球表面找到深部月幔物质的机会很少。无论是美国Apollo和苏联Luna探测任务采回的月球样品,还是环月探测器的遥感数据,都没有发现与月幔具体物质组成相关的直接证据,这一关于月幔物质组成的推论一直没有被很好地证实。

嫦娥四号新发现!找到月球背面幔源物质初步证据

  图2 月球内部结构可能的解释(a)月球岩浆被设定为深550km,下月幔由原始的未熔融物质组成。源自Wieczorek et al.,《Reviews in mineralogy and geochemistry, Vol 60》)(b)月球最内部的物理分层结构(源自Science, 331, 309-312,2011

  嫦娥四号着陆于直径186公里的冯Ÿ·卡门坑内,地处直径2500公里、深13公里的月球背面南极-艾特肯(SPA)盆地(图3)之中。SPA盆地形成于40多亿年前的天体撞击,是月球表面最古老、最大的撞击盆地,其最有可能减薄月幔之上月壳的厚度,甚至撞穿月壳,暴露出富含橄榄石的月幔物质。在SPA盆地形成后,继续遭到小天体撞击形成更多的小撞击坑。发生于SPA盆地中的这些撞击事件则可作为一种“深钻”,将SPA盆地表面以下代表月球更深部甚至月幔的物质挖掘出,溅射到SPA盆地内环形坑表面并被探测到。

嫦娥四号新发现!找到月球背面幔源物质初步证据

  图3 用CE-2 DOM数据(a)和嫦娥一号DEM(b)数据制作的SPA盆地区域分布图,白色虚线为SPA盆地边界,上下红色圆点分别表示南极点和艾特肯撞击坑。

  论文第一作者李春来表示:“月球是地球之外我们研究的最深刻的星球,月球的演化主要发生在30亿年前,而地球上的地质运动早已将30亿年前的历史抹去,月球就像化石一样,我们可以通过月球一窥地球的早期演化过程。”

  月球背面幔源物质初步证据的发现

  2019年1月3日,带着尽快揭开月球深部物质成分神秘面纱的使命,嫦娥四号探测器“定点、定时、精确”着陆在南极-艾特肯盆地的冯·卡门撞击坑内。同日“玉兔二号”月球车与着陆器分离,其上携带的红外成像光谱仪(VNIS)首次开机,在探测点开展就位光谱探测,获取了第一个月昼两个探测点(图4)的光谱数据。

嫦娥四号新发现!找到月球背面幔源物质初步证据

  图4 (a)“玉兔二号”月球车巡视路线图;(b,c) 嫦娥四号地形地貌相机拍摄的VNIS在探测点A和S1处进行光谱探测,插图上下分别为VNIS在A和S1探测点获得的600nm图像。

  通过对光谱数据的分析发现,嫦娥四号着陆区的形貌(图5)与月壤光谱特征明显不同于嫦娥三号着陆点的月海玄武岩质月壤(图6),在1um和2um处的吸收特征向短波方向有明显的移动,展现出低钙辉石的光谱特征,并暗示有大量橄榄石的存在。

嫦娥四号新发现!找到月球背面幔源物质初步证据

  图5(a)S1探测点附近岩石的全景相机图像(黑白)(b)第二月昼石块探测区域岩石的全景相机图像(彩色)

嫦娥四号新发现!找到月球背面幔源物质初步证据

  图6 左图为嫦娥四号VNIS 在第一个月昼获取的探测点光谱曲线,右图为它们的光谱曲线经包络线去除之后的结果。

  为进一步判断两个探测点的物质成分是否主要为橄榄石和低钙辉石,研究团队对探测数据进行了光谱解混(图7)。进一步的分析证实,嫦娥四号着陆区月壤物质中橄榄石相对含量最高,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。

嫦娥四号新发现!找到月球背面幔源物质初步证据

  图7 使用低钙辉石、高钙辉石和橄榄石作为端元矿物对A (左图)和S1(右图)探测点的光谱曲线进行修正高斯模型拟合的结果。

  月球背面幔源物质的来源

  嫦娥四号探测器的着陆点位于SPA盆地内的冯·卡门撞击坑内部,其表面被后续喷发的玄武岩填充。这些不同于玄武岩的深部物质又是如何分布在着陆区域内的?为了回答这个问题,研究团队利用我国嫦娥一号(CE-1)数字正射影像(DOM)图像数据和美国月球矿物质绘图仪(Moon Mineralogy Mapper ,M3)高光谱数据对覆盖着陆区域的物质分布进行了分析(图8)。结果表明,着陆器和“玉兔二号”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撞击坑。40多亿年前SPA盆地形成时已将月壳减薄或完全剥离。芬森坑是由小天体撞击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,嫦娥四号VNIS分析到的对象是芬森撞击坑挖掘、抛射到冯·卡门撞击坑表面的月幔物质。

嫦娥四号新发现!找到月球背面幔源物质初步证据

  图8 冯·卡门坑内芬森坑的溅射物分布图。(a)嫦娥一号数字正射影像图,(b)M3彩色合成图。白色虚线表示芬森坑的两条向其中央峰收敛、呈东北至西南走向的溅射物条带。

  结束语

  基于嫦娥四号红外成像光谱仪探测数据的研究结果揭示了月球背面SPA盆地的深部物质组成,证实了月幔富含橄榄石的推论,扩展了人类对月球形成与演化的认知。论文第一作者李春来说:“为保证安全,嫦娥四号的着陆点尽量选择在平坦区域,而月球上平坦的地方一般都是岩浆凝固后形成的玄武岩。嫦娥四号能落在溅射出的月幔物质碎屑上对于科学家来说是非常幸运的。这一研究可为中国未来的月球采样甚至月球基地建设提供参考。如果嫦娥六号能到这一区域采样,不但能获取人类第一份月球背面的样品,还有机会采集到月球深部物质的样品。”

  截至2019年5月11日,“玉兔二号”月球车已完成了第五月昼的科学探测工作,累计行走190.66米。李春来表示,后续的嫦娥四号勘探将获得更多的就位光谱数据,研究团队将继续分析这些数据,特别是岩石光谱,以验证本研究的初步结果,并更好地了解嫦娥四号着陆点的地质环境,破译月球物质甚至深部地幔成分的奥秘。

  作者简介:地面应用系统,系国家重大科技专项中国月球探测工程和中国首次火星探测工程五大系统之一,由中国科学院国家天文台承担,负责月球与火星探测任务科学探测计划制定,有效载荷运行管理,探测数据的接收、处理、解译和管理,按工程管理要求发布数据,组织开展科学数据的应用和研究。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 黄河2026年主汛期前调水调沙启动

  • 在中国最高城守望“天路”

独家策划

推荐阅读
瑞典哥德堡大学和查尔姆斯理工大学研究团队在人工智能(AI)应用方面取得新成果,教会一款名为SmartTrap的AI系统使用光学镊子,从而让光镊实现了全自动运行。光镊是一种利用高度聚焦的激光束来操控微小物体的技术,其操作对象包括单个DNA分子、活细胞以及其他直径远小于发丝的微观粒子。
2026-06-23 09:40
“十五五”规划纲要提出,建立健全数据产权、流通利用、收益分配、安全治理等数据要素基础制度。
2026-06-23 09:38
上午9时,随着小浪底水利枢纽3个闸门徐徐升起,巨大水流喷涌而出,在空中形成层叠奔涌的排浪,轰鸣着冲向水面——2026年度黄河调水调沙正式启动。
2026-06-23 09:35
2026年,发布《高端科学仪器创新发展行动计划》,推进“AI+”赋能仪器创新,鼓励建设全自动“黑灯”实验室等前沿科研新范式……灵心巧手(北京)科技有限公司联合创始人左家平举起一款灵巧手向记者介绍:“我们最轻的灵巧手只有370克,但它能提起50公斤重物。
2026-06-23 09:34
中国散裂中子源科学中心与港澳8所高校合作共建大湾区首台同步辐射光源,所有谱仪面向港澳全面开放,港澳用户完成实验课题超过100项,产出系列重要成果。据了解,2025年,“深圳-香港-广州”创新集群首次跃居全球创新指数第一,“澳门-珠海”集群连续两年入围全球百强,国际科技创新中心地位进一步凸显。
2026-06-23 09:30
准确来说,“原位纳米晶限域”是一种让晶体在生长过程中“长得好又长不大”的精细调控技术。科学家在材料结晶前,预先混入一种可聚合配体,它在晶体刚冒头时原位形成一张分子级的“网”,网眼便是晶体生长的唯一空间。
2026-06-23 09:29
这就是“管中窥豹”的困境,也是当前AI辅助荧光成像面临的核心难题。团队的解决思路颇具巧思:提出了一种全新的通用型荧光成像复原网络LargePNet。
2026-06-22 09:45
6月20日,中技船舶首批9艘新能源船舶集中试航仪式在广西南宁港举行。9艘船舶包含无人驾驶智慧船、商用作业船、民用休闲船,适配执法巡逻、景区观光等各类场景,助力内河航运绿色转型。新华社发
2026-06-22 09:44
法国“科技万岁”科技创新展6月20日在巴黎闭幕。法国“科技万岁”科技创新展创立于2016年,是科技创新和初创企业的重要展示平台。图为一名男子在“科技万岁”科技创新展上体验VR设备。新华社发
2026-06-22 09:44
英国《新科学家》周刊网站在近日的报道中指出,科学家正奋力探索多条有望恢复听力的道路,新一代治疗技术正在集中爆发。对于重度或极重度听力损失者,人工耳蜗植入也能极大改善他们的生活质量。
2026-06-22 09:44
在全球产业链、供应链面临复杂性和不确定性的背景下,第四届中国国际供应链促进博览会(以下简称“链博会”)如期而至。本届链博会首次设立人工智能专区以及升级的“数智科技链”,让联合国贸易和发展会议资深经济学家梁国勇高度期待。
2026-06-22 09:44
历时8年、由全球多个机构38位科学家共同完成的一项国际研究发现,线粒体并非通过简单扩散为细胞核提供能量,而是铺设“专线”供能,即通过一种此前未知的直接物理连接将能量分子定向输送至细胞核。
2026-06-18 10:33
近日,2026年上海国际养老、辅具及康复医疗博览会落幕。本次展会直观印证,人工智能既是夯实基础养老保障的务实抓手,更是释放银发经济增长潜力的核心引擎。
2026-06-18 10:32
奇索姆不会中文,叶子不会英文,但这并没有妨碍两人在短短几分钟内就交上了朋友,她们的“秘密武器”正是人工智能(AI)。
2026-06-18 10:29
高精度感知技术如何打破实验室的“围墙”,深度融入我们的日常生活?答案,就藏在量子科技与芯片工程的交汇点——让量子“住”进芯片。
2026-06-18 10:28
如各大顶尖研究型高校一样,数学学科的全球竞争力需要长期稳定的支持,时间会证明数学研究和人才培养的后劲十足。
2026-06-18 10:24
与依赖相对固定会话管理结构的传统5G核心网络不同,新技术引入AI驱动的预测与控制能力,可根据不同业务需求实时优化会话管理、数据传输路径和服务质量,实现网络资源的动态调度。未来,团队还计划开发支持低轨卫星通信的核心网与传输网融合技术,构建融合业务、计算和网络的新一代6G核心架构。
2026-06-17 09:32
荷兰阿姆斯特丹大学医疗中心研究人员宣布,他们开展的全球首例针对遗传性疾病的体内CRISPR疗法三期临床试验取得成功。这把“剪刀”,为许多遗传性疾病患者剪开了新天地,预示着遗传病治疗或将从“延缓病情”迈向“治愈疾病”的新时代。
2026-06-17 09:28
交通运输是维系国民经济运行的重要基础,在碳排放总量中,交通运输领域占比高、减排难度大。针对水路运输降碳难题,我国正聚焦核心技术攻坚、示范船舶落地、配套体系完善,多措并举突破行业绿色转型壁垒。
2026-06-17 09:23
未来产业培育周期长、市场风险大,单一政策工具难以奏效,必须构建覆盖全生命周期、多元主体协同发力的政策矩阵。未来产业发展涉及面广、风险点多、迭代速度快,必须突破条块分割,构建集中统一、协同高效、安全可控的现代化治理体系。
2026-06-17 09:18
加载更多