月球內部有什麼？中國科學家找出了答案

「玉兔2號」月球車

今天，《自然》雜誌發表了一篇來自中國探月團隊的重要突破：「嫦娥4號」在月球背面首次發現月幔物質，這項發現讓人類透過月球表面，窺視月球深處的物質組成，並為完善月球形成與演化模型提供有力的支撐。

撰文 | 吳非

月幔成分之謎

與地球類似，月球自內向外分別由月核、月幔與月殼構成。45億年前，誕生之初的月球被滾熱的岩漿海覆蓋。不久後，隨著溫度逐漸下降，月殼與月幔的分層開始出現：較輕的斜長石等礦物上浮，形成月殼；而更重的橄欖石、輝石等下沉形成月幔。

這個故事雖然看似合理，但終究只是理論。要驗證這一假說、掌握更精確的月球礦物構成，就必須對月球進行直接的採樣與測量。

月球結構示意圖（圖片來源：wikipedia）

了解月殼相對容易。從蘇聯的「月球9號」月球探測器到美國的「阿波羅」載人登月工程，人類的探測器從月球表面採集、分析並帶回了不少岩石樣本。這些樣本讓我們對月殼的成分有著深入的理解。但是，接觸月幔成分則要難得多。

月殼的平均厚度有40千米。即使在地球上，人類目前最深的鑽井也只有12千米，更不用說在月球上打鑽挖出月幔物質了。

在地球上，由於存在活躍的板塊構造運動，來自地幔的岩漿可以通過火山等構造流向地表。冷卻成岩後，它們成為我們了解地幔的窗口。

月球則截然不同。儘管一項本周發表的最新研究認為月球仍然存在構造活動、甚至能產生「月震」，但要指望月球自身的微弱運動將月幔物質送至月球表面，絕無可能。那麼，人類怎樣才能找到來自月幔的物質？

一個可以藉助的力量是隕石。當一顆隕石撞向月球，如同投向水面的石子漸起的水花，衝擊力讓撞擊地點周圍地下的物質濺起、落在月球表面。如果隕石質量夠大、速度足夠快，它就有可能成為一枚「深鑽」，穿透月殼、讓月幔物質露出表面。

因此，科學家將隕石坑視作發掘月幔物質的絕佳窗口。而月球最大、最古老的隕石坑——南極-艾特肯盆地（South Pole-Aitken basin，以下簡稱盆地）成為關注的焦點。南極-艾特肯盆地位於月球背面，因此直到1959年蘇聯的月球3號探測器首次拍下月球背面的照片，人類才注意到它的存在。

圖中大片陰影區為南極-艾特肯盆地（圖片來源：NASA/Goddard Space Flight Center）

大約42億年前，一次劇烈的撞擊形成了這個直徑2500千米的巨型盆地。此前的模擬計算認為，這次撞擊足以揚起月幔物質。但當衛星遙感開始分析這片廣袤的盆地，結果卻有些出乎意料：儘管盆地中有大量輝石，但本應隨輝石一同出現的橄欖石卻極少被測出。

對此，科學家陸續提出了兩種可能的解釋：一是形成SPA的撞擊沒有想像中的劇烈，或許是速度不夠快，或許是撞擊的角度太小，總之撞擊地點下方的月幔物質依然睡得很安穩；另一種可能性是，此前我們對月幔的認識存在偏差，上月幔中的橄欖石含量沒有模型預計的那麼高。如果是這樣，那麼對於月球演化，尤其是早期月幔流動模型的認識將被改寫。

月幔的秘密就沉睡在月球的另一側，等待著人類探測器的喚醒。

這裡有橄欖石，很多！

2019年1月3日，月球背面的首位訪客終於抵達。它就是「嫦娥4號」。之所以此前的探月項目都沒有選擇在月球背面著陸，一個障礙主要在於，月球背面的探測器無法和地球直接建立無線電通信。為此，中國國家航天局提前發射了「鵲橋」月球中繼衛星，以此作為探測器與地球間的通信中轉站。

經過近1個月的飛行，「嫦娥4號」在SPA內的馮·卡門隕石坑（Von Kármán crater）著陸。著陸地點的選擇，一方面考慮了安全性：著陸區地勢平坦，沒有可能導致探月器損毀的障礙；另一方面，研究團隊也考慮了發現月幔物質的可能性。雖然根據此前的遙感分析，產生盆地的撞擊可能沒有直接擊穿月殼，但撞擊大幅削減了月殼厚度。如果在此基礎上再來一次隕石撞擊，或許月幔成分就能現身了。而馮·卡門隕石坑，正是疊加在盆地上的又一次撞擊。此外，著陸點周圍還有多個隕石坑，包括最年輕的芬森（Finsen）隕石坑。這些撞擊過程如能產生月幔濺射物，也有可能落在探月器的觀測區域。

「嫦娥4號」著陸區示意圖（圖片來源：研究論文）

在登陸月球的當天，「玉兔2號」月球車便與嫦娥4號分離，踏上月球探測之旅。「玉兔2號」先後前往著陸點南側與西北側的兩個探測點，使用攜帶的可見光及近紅外成像光譜儀，成功獲取了著陸區兩個探測點的光譜數據。

「玉兔2號」運行軌跡圖（圖片來源：國家航天局）

領導了這項研究的國家天文台李春來研究員在接受媒體採訪時談到：「我們一看到數據就感到眼前一亮，因為『玉兔2號』探測到的譜線與此前在月球正面探測到的有很大不同。」

進一步的數據分析證實了這一點。在兩處探測點，橄欖石的佔比分別為48%和55%，低鈣輝石含量次之，僅含有很少量的高鈣輝石。這是人類首次在月球找到高橄欖石含量的岩石樣本。這種礦物組合意味著，其最可能的來源便是上月幔。

月幔中的物質是怎樣出現在月球表面的？結合遙感與光譜數據，研究人員指出，關鍵可能就在於著陸區東北側那個直徑72千米的芬森隕石坑。隕石的撞擊讓盆地下方的月幔物質濺出，恰好落在在「玉兔2號」的觀測區域。

不過，研究人員也表示，目前的數據只是初步結論，這些物質是否真正來自月幔、月幔的確切組成是如何，還需要等待後續任務將岩石樣本帶回地球，從而開展進一步研究。

法國蔚藍海岸天文台的Mark Wieczorek也表示，研究團隊需要排除另一種可能性：這些物質誕生於產生盆地的撞擊過程，它們的物質構成與月幔相似，卻不是真正的月幔物質。此外，根據月球岩漿海的結晶模型，月幔的組成與此次的發現不盡相同。這意味著月球模型需要修正，還是說這些物質根本就不是來自月幔的？這些問題都需要進一步研究來判別。

原始論文：

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

《環球科學》2019年5月刊現已上市

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