馮·卡門撞擊坑

廣寒宮中，嫦娥枯坐，玉兔搗藥，這是古老神話中的月球。撞擊坑、環(huán)形山，坑坑洼洼，這是現(xiàn)代影像圖中的月球。但月球深處有什么，是長久以來都沒有答案的謎題。

日前，國際期刊《自然》在線發(fā)布我國月球探測領域的一項重大發(fā)現(xiàn)。中國科學院國家天文臺月球與深空探測研究部主任李春來領導的研究團隊利用嫦娥四號就位光譜探測數(shù)據(jù)，證明了月球背面南極—艾特肯盆地(SPA)存在以橄欖石和低鈣輝石為主的深部物質，為解答長期困擾國內(nèi)外學者的有關月幔物質組成的問題提供了直接證據(jù)。

關于月球形成有哪些假說和理論?現(xiàn)代科學又提供了哪些證據(jù)?這項最新發(fā)現(xiàn)對完善月球形成與演化模型的啟示究竟是什么?

月幔成分事關月球演化

“關于月球的形成和演化存在多種理論和模型，其中在月球形成方面的假說和理論就包括分裂模型、捕獲模型、共增生模型和巨碰撞模型四種。”李春來接受科技日報記者采訪時說。

其中，分裂模型假定早期地球旋轉特別快，致使自身轉動變得不穩(wěn)定，從而造成赤道地區(qū)的物質被甩入軌道生成月球。捕獲模型認為，月球形成于太陽系的另一個地方，最終因近距離遇到地球，經(jīng)重力捕獲從而進入一個受約束而穩(wěn)定的繞地運行軌道。

而共增生模型認為，在地球增生期間，通過多種機制可能會形成一個環(huán)繞地球的星體物質盤，這個星體物質盤在地球整個增生期間都存在，月球由較小的繞日拋射物構成。

不過，如今被普遍認可的是巨碰撞模型。“根據(jù)這項理論，月球形成于太陽系形成的早期。當時的地球與一個火星大小的天體發(fā)生碰撞，碰撞拋出的地殼和上地幔物質在地球軌道上反復累積增生，從而形成月球。”李春來說。

“關于月球早期演化的假說和理論主要為著名的巖漿洋理論。由大碰撞和累積增生相伴的能量釋放產(chǎn)生了大規(guī)模的熔融，即巖漿洋，伴隨著熔融體晶出物的密度分離，形成了低密度、富斜長石的月殼，而如橄欖石、輝石等較重的礦物則下沉形成月幔。”李春來告訴科技日報記者。

現(xiàn)代科學為這些假說和理論提供了大量證據(jù)。首先是在月殼中富含斜長石的證據(jù)。通過阿波羅(APOLLO)號從月球帶回樣品中月海玄武巖的化學和巖石學研究，已經(jīng)證實月海表面富含斜長石;同時遙感獲取的鐵(Fe)、鎂(Mg)、鋁硅(Al/Si)、鎂硅(Mg/Si)等數(shù)據(jù)說明月球高地月殼也是斜長巖質的。

“深部月殼及月幔的物質成分目前仍存在著較大爭議，確定其物質成分是這次研究的一個重要目標。”李春來說。

著陸區(qū)域的選擇是關鍵

為何了解月幔物質組成對于了解月球形成很關鍵?“月幔占月球體積和重量的主要部分，了解了月幔物質組成可以檢驗巖漿洋理論的正確性，從而修正和完善月球形成和演化的理論模型。”李春來解釋道。

過去，美國阿波羅任務和蘇聯(lián)月球任務返回的月球樣品中沒有發(fā)現(xiàn)與月幔準確物質組成有關的直接證據(jù)。李春來和研究團隊為何能拿到關鍵性證據(jù)?

“這次之所以能夠拿到關鍵性證據(jù)或取得突破的關鍵因素，主要在于嫦娥四號著陸區(qū)域的選擇。”李春來說。

美國阿波羅任務和蘇聯(lián)月球任務均在月球正面著陸，且著陸區(qū)域沒有位于巨大的撞擊坑內(nèi)部，因此不太可能發(fā)現(xiàn)代表月球深部的月幔物質成分。

而嫦娥四號著陸于月球背面南極—艾特肯盆地內(nèi)。“艾特肯盆地是整個月球上最大、最深和最古老的撞擊盆地，被認為是最有可能撞穿月殼、暴露出月球深部物質的區(qū)域。”李春來說。

嫦娥四號探測器著陸點位于艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi)部，該區(qū)域被芬森(Finsen)撞擊坑的濺射物所覆蓋，而芬森撞擊坑是由小天體撞擊艾特肯盆地內(nèi)部表面而形成，其猶如在艾特肯盆地表面打了一口“深鉆井”，進一步將艾特肯盆地表面以下更深部的物質成分挖掘出來。

嫦娥四號的最新發(fā)現(xiàn)對于完善月球形成與演化的巖漿洋理論具有重要意義。“如果嫦娥四號的探測結果發(fā)現(xiàn)月幔的物質成分與巖漿洋理論預測的物質成分不一致，則可以對巖漿洋理論進行修正和完善，甚至提出新的理論。”李春來表示。

通過分析研究結果，李春來研究團隊認為，月幔物質成分富含橄欖石的預測仍不能被排除，上月幔的物質成分很可能主要由橄欖石和低鈣輝石組成。

有待更多數(shù)據(jù)驗證結果

來自芬森撞擊坑的物質是揭開月幔深處奧秘的關鍵。“芬森撞擊坑是艾特肯區(qū)域內(nèi)比較年輕的撞擊坑，濺射物分布較少受到后續(xù)撞擊事件的影響，且月球沒有經(jīng)歷過板塊構造運動，也不會受到如地球大氣、水、風沙等的侵蝕作用。”李春來說。

不過，隨著時間的流逝，芬森撞擊坑的濺射物會受到空間風化作用的影響，如劇烈的溫度變化、高能粒子的轟擊和微隕石撞擊。這會使得濺射物發(fā)生物理和化學變化。“物理變化主要為粉碎和熔結作用，即巖石和礦物破碎成更小的碎屑，熔結作用會形成熔結碎屑，化學變化主要是某些礦物的崩解和納米相鐵的產(chǎn)生，使得月壤的成熟度增加。”李春來說。

本次研究的關鍵數(shù)據(jù)是玉兔2號所攜帶的紅外成像光譜儀(VNIS)獲取的著陸區(qū)兩個探測點高質量光譜數(shù)據(jù)。這意味著，VNIS在馮·卡門坑內(nèi)獲得的是局部區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)，那么，它能用來說明整個月幔的物質組成情況嗎?

李春來告訴科技日報記者：“本次研究結果暫時不能說明整個月幔的物質組成情況。通過VNIS在馮·卡門撞擊坑內(nèi)局部區(qū)域的光譜數(shù)據(jù)，我們初步認為艾特肯盆地的大型撞擊事件應是撞穿了月殼，挖掘出了該區(qū)域的上月幔物質成分。”

“同時，我們也認為該區(qū)域月幔物質成分不能排除富含橄欖石的可能，且該區(qū)域上月幔的物質成分很可能主要由橄欖石和低鈣輝石組成。”李春來強調。

李春來表示，隨著后續(xù)探測任務的執(zhí)行，獲取的有效探測數(shù)據(jù)會越來越多。研究團隊將關注后續(xù)光譜數(shù)據(jù)的分析研究工作，進一步分析驗證本次的研究結果。(代小佩)