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

  • 第六届中国跨境电商交易会在福建福州开幕

  • 渝昆高铁云南段开始铺轨

独家策划

推荐阅读
吴晓民(右一)团队在野外工作。藏羚羊曾广泛分布于高原全境,其漫长的演化史与复杂的种群波动,始终是全球动物保护与演化生物学领域关注的焦点。研究团队还通过生态位模拟,锁定了藏羚羊的生命庇护所——青藏高原北部的可可西里、羌塘高原等区域。
2026-03-19 10:11
通知明确,各城市群应优先选择具备条件的燃料电池汽车、绿色氨醇、氢基化工原料替代、氢冶金以及掺氢燃烧等应用场景开展试点,积极探索氢能创新应用场景,形成“1个燃料电池汽车通用场景+N个工业领域应用场景+X个创新应用场景”的氢能综合应用生态。通知要求,氢能综合应用试点以城市群为主体开展申报,城市群应立足自身资源条件,因地制宜、宜氢则氢,避免各场景一拥而上、低水平重复建设。
2026-03-19 10:10
2026中关村论坛年会将于3月25日至29日在北京举办。
2026-03-19 10:04
日前发布的《中国地热产业发展报告2025》显示,我国地热产业多元化利用格局正在形成。在地热供暖发展带动下,我国地热产业规模长期稳居世界第一。
2026-03-19 10:00
由于土豆块茎外形粗陋、埋于地下,又不见于《圣经》,一度被殖民者视为“魔鬼之根”或带毒之物。另一方面,随着城市扩张与人口增长,粮食压力加剧,土豆因高产、耐寒、适宜在小块土地种植而被人们重视。
2026-03-19 10:00
作者:刘琦 仇焕广(分别系中国人民大学助理教授,辽宁大学党委常委、副校长)  今年《政府工作报告》提出,“推进先进适用农机装备研发应用,打通农业科技推广‘最后一公里’”。
2026-03-19 09:59
为此,生态环境法典针对重点流域、重要生态单元设置专门规范,明确长江、黄河等重点区域一体化保护要求,建立协同机制。生态环境法典第三编第六章“生态退化的预防和治理”,整合水土保持法、防沙治沙法的有关规定,分为水土保持、防沙治沙两节。
2026-03-18 09:38
“‘两弹一星’不是孤立的科技突破,而是面向国家需求‘从0到1’的科技创新。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、安徽省科学技术协会、安徽农业大学、光明网联合承办。
2026-03-18 09:27
对于1型糖尿病患者而言,胰腺中那些负责分泌胰岛素、调节血糖的胰岛β细胞,被自身免疫系统错误地当成了“入侵者”,日复一日地遭受攻击,直至彻底损毁。这3个病例,分别代表中国乃至全球再生医学领域的3个“首次”——世界首例自体、中国首例异体、世界首例青少年再生胰岛移植治疗1型糖尿病。
2026-03-18 09:27
记者3月17日从国家能源局获悉,2026年1至2月,全社会用电量累计16546亿千瓦时,同比增长6.1%。从分产业用电看,第一产业用电量223亿千瓦时,同比增长7.4%;第二产业用电量10279亿千瓦时,同比增长6.3%,其中,工业用电量同比增长6.4%,高技术及装备制造业用电量同比增长10.6%;第三产业用电量3231亿千瓦时,同比增长8.3%,其中,充换电服务业、互联网数据服务业用电量增速分别达到55.1%、46.2%。
2026-03-18 09:26
当前,以家庭农场、农民合作社、龙头企业为代表的新型农业经营主体已成为“强农兴村”的中坚力量,发展成效显著。夯实联农带农长效机制,还需构建多层次、可落地的政策环境,让农业经营主体有动力、有能力、有底气带动小农户共同增收。
2026-03-18 09:26
在成都温江区,骑行爱好者李先生沿着北林绿道前行,穿梭在虫鸣鸟叫、淡淡花香之中。”  一幅幅充满生机的新春图景,正是成都加快建设践行新发展理念的公园城市示范区的生动注脚。
2026-03-18 09:26
分享几个故事,一起走进地球科学的世界。
2026-03-16 18:39
工业和信息化部、财政部、国家发展改革委日前印发《关于开展氢能综合应用试点工作的通知》。通知提出,通过城市群试点,将氢能应用场景由燃料电池汽车向交通、工业等具备条件的多元领域拓展。
2026-03-17 09:35
图为3月16日在北京航天飞行控制中心屏幕上拍摄的神舟二十一号乘组航天员工作的画面。据悉,张陆已累计进行6次舱外活动,成为目前在舱外执行任务次数最多的中国航天员之一。按计划,飞行任务期间还将实施航天员乘组出舱活动,持续开展相关科学实验与技术试验。
2026-03-17 09:35
OpenClaw类智能体出现有标志意义,但仍需从严把控安全风险,未雨绸缪引导科技发展向上、向善。
2026-03-17 09:34
近日,“今明两年或成历史最热年份”“地球或将迎超级厄尔尼诺现象”等相关话题冲上网络热搜,引发公众广泛关注。“总体来看,今年下半年赤道中东太平洋处于厄尔尼诺状态的可能性较大,但目前尚无法准确预测其具体形成时间和总体强度。
2026-03-17 09:34
水利部水文司司长刘志雨介绍,2015年9月,水利部和自然资源部按照“统一布局、分工协作、避免重复、信息共享”原则,联合启动实施国家地下水监测工程。未来十年,国家地下水监测站网将更加科学、全面、精准地守护国家水资源安全,为精打细算用好水资源,从严从细管好水资源提供坚实保障。
2026-03-17 09:34
该学院依托浙江大学建立,旨在积极推动全球发展倡议落地见效,切实破解全球发展进程中的瓶颈性难题,有效凝聚多方智慧与力量,推动各国共同发展。
2026-03-16 12:35
他们用郭守敬望远镜光谱数据锁定目标对象,结合盖亚空间望远镜的高精度天体测量数据拼出基本“轮廓”,再用EBHIS射电巡天数据勾勒出星团周围的气体环境。他还公布了星团中最亮恒星的精确坐标——赤经01:50:46.6和赤纬+56:25:25.8,供天文爱好者定位追踪。
2026-03-16 09:32
加载更多