月球内部有什么？中国科学家找出了答案

“玉兔2号”月球车

撰文 | 吴非

与地球类似，月球自内向外分别由月核、月幔与月壳构成。45亿年前，诞生之初的月球被滚热的岩浆海覆盖。不久后，随着温度逐渐下降，月壳与月幔的分层开始出现：较轻的斜长石等矿物上浮，形成月壳；而更重的橄榄石、辉石等下沉形成月幔。

这个故事虽然看似合理，但终究只是理论。要验证这一假说、掌握更精确的月球矿物构成，就必须对月球进行直接的采样与测量。

月球结构示意图（图片来源：wikipedia）

了解月壳相对容易。从苏联的“月球9号”月球探测器到美国的“阿波罗”载人登月工程，人类的探测器从月球表面采集、分析并带回了不少岩石样本。这些样本让我们对月壳的成分有着深入的理解。但是，接触月幔成分则要难得多。

月壳的平均厚度有40千米。即使在地球上，人类目前最深的钻井也只有12千米，更不用说在月球上打钻挖出月幔物质了。

在地球上，由于存在活跃的板块构造运动，来自地幔的岩浆可以通过火山等构造流向地表。冷却成岩后，它们成为我们了解地幔的窗口。

月球则截然不同。尽管一项本周发表的最新研究认为月球仍然存在构造活动、甚至能产生“月震”，但要指望月球自身的微弱运动将月幔物质送至月球表面，绝无可能。那么，人类怎样才能找到来自月幔的物质？

一个可以借助的力量是陨石。当一颗陨石撞向月球，如同投向水面的石子渐起的水花，冲击力让撞击地点周围地下的物质溅起、落在月球表面。如果陨石质量够大、速度足够快，它就有可能成为一枚“深钻”，穿透月壳、让月幔物质露出表面。

因此，科学家将陨石坑视作发掘月幔物质的绝佳窗口。而月球最大、最古老的陨石坑——南极-艾特肯盆地（South Pole-Aitken basin，以下简称盆地）成为关注的焦点。南极-艾特肯盆地位于月球背面，因此直到1959年苏联的月球3号探测器首次拍下月球背面的照片，人类才注意到它的存在。

图中大片阴影区为南极-艾特肯盆地（图片来源：NASA/Goddard Space Flight Center）

大约42亿年前，一次剧烈的撞击形成了这个直径2500千米的巨型盆地。此前的模拟计算认为，这次撞击足以扬起月幔物质。但当卫星遥感开始分析这片广袤的盆地，结果却有些出乎意料：尽管盆地中有大量辉石，但本应随辉石一同出现的橄榄石却极少被测出。

对此，科学家陆续提出了两种可能的解释：一是形成SPA的撞击没有想象中的剧烈，或许是速度不够快，或许是撞击的角度太小，总之撞击地点下方的月幔物质依然睡得很安稳；另一种可能性是，此前我们对月幔的认识存在偏差，上月幔中的橄榄石含量没有模型预计的那么高。如果是这样，那么对于月球演化，尤其是早期月幔流动模型的认识将被改写。

月幔的秘密就沉睡在月球的另一侧，等待着人类探测器的唤醒。

2019年1月3日，月球背面的首位访客终于抵达。它就是“嫦娥4号”。之所以此前的探月项目都没有选择在月球背面着陆，一个障碍主要在于，月球背面的探测器无法和地球直接建立无线电通信。为此，中国国家航天局提前发射了“鹊桥”月球中继卫星，以此作为探测器与地球间的通信中转站。

经过近1个月的飞行，“嫦娥4号”在SPA内的冯·卡门陨石坑（Von Kármán crater）着陆。着陆地点的选择，一方面考虑了安全性：着陆区地势平坦，没有可能导致探月器损毁的障碍；另一方面，研究团队也考虑了发现月幔物质的可能性。虽然根据此前的遥感分析，产生盆地的撞击可能没有直接击穿月壳，但撞击大幅削减了月壳厚度。如果在此基础上再来一次陨石撞击，或许月幔成分就能现身了。而冯·卡门陨石坑，正是叠加在盆地上的又一次撞击。此外，着陆点周围还有多个陨石坑，包括最年轻的芬森（Finsen）陨石坑。这些撞击过程如能产生月幔溅射物，也有可能落在探月器的观测区域。

“嫦娥4号”着陆区示意图（图片来源：研究论文）

在登陆月球的当天，“玉兔2号”月球车便与嫦娥4号分离，踏上月球探测之旅。“玉兔2号”先后前往着陆点南侧与西北侧的两个探测点，使用携带的可见光及近红外成像光谱仪，成功获取了着陆区两个探测点的光谱数据。

“玉兔2号”运行轨迹图（图片来源：国家航天局）

领导了这项研究的国家天文台李春来研究员在接受媒体采访时谈到：“我们一看到数据就感到眼前一亮，因为‘玉兔2号’探测到的谱线与此前在月球正面探测到的有很大不同。”

进一步的数据分析证实了这一点。在两处探测点，橄榄石的占比分别为48%和55%，低钙辉石含量次之，仅含有很少量的高钙辉石。这是人类首次在月球找到高橄榄石含量的岩石样本。这种矿物组合意味着，其最可能的来源便是上月幔。

月幔中的物质是怎样出现在月球表面的？结合遥感与光谱数据，研究人员指出，关键可能就在于着陆区东北侧那个直径72千米的芬森陨石坑。陨石的撞击让盆地下方的月幔物质溅出，恰好落在在“玉兔2号”的观测区域。

不过，研究人员也表示，目前的数据只是初步结论，这些物质是否真正来自月幔、月幔的确切组成是如何，还需要等待后续任务将岩石样本带回地球，从而开展进一步研究。

法国蔚蓝海岸天文台的Mark Wieczorek也表示，研究团队需要排除另一种可能性：这些物质诞生于产生盆地的撞击过程，它们的物质构成与月幔相似，却不是真正的月幔物质。此外，根据月球岩浆海的结晶模型，月幔的组成与此次的发现不尽相同。这意味着月球模型需要修正，还是说这些物质根本就不是来自月幔的？这些问题都需要进一步研究来判别。

原始论文：

Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1189-0