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“玉兔”打开月球背面“隐秘角落”,帮助分析小行星撞击历史


作者:中国科学报     来源:中国科学报     时间:2020-09-09 15:09

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和“玉兔二号”一起“爬山”的雷达发回了令人振奋的数据。
 
中国科学家基于“玉兔二号”前3个月昼探测数据,获得月球背面着陆区月壤和浅层结构的重要发现和认识,翻开了月球演化“日记”的全新一页。9月7日,这项研究成果在《自然—天文》上发表。
 
月球的浅层结构记录了大型撞击事件和岩浆喷发的次数、规模以及它们之间的时序关系,是写下月球30多亿年演化故事的天然“日记本”。但迄今为止,人类对其认识仍十分有限,它犹如等待探索的“隐秘角落”。
 
30多亿年演化的“日记本”
 
月球的演化与小行星撞击密不可分,科学家试图分析月球浅层结构获得小行星撞击历史。
 
科学家已经了解,小天体撞击是地球早期演化的重要驱动力,但长期地质构造活动抹除了其早期演化的大部分痕迹,因此了解地球的早期演化历史十分困难,而月球上较好地保留了这些记录。
 
论文通讯作者、中国科学院地质与地球物理研究所(以下简称地质地球所)研究员林杨挺向《中国科学报》介绍:“月球质量较小,很早就停止了内部活动,因此月表的撞击坑及撞击坑溅射物堆积剖面是了解月球30多亿年演化历史的很好视角,也可以为我们认识地球的早期演化提供重要参考。”
 
科学家曾为小行星撞击假设出一幅幅“高能画面”。例如,月表物质被“撞”出来并向四周抛射,在近距离形成连续的溅射毯,在远距离形成不连续的溅射条纹。一些大型撞击事件还可能引起火山喷发,形成玄武岩与溅射堆积物的互层结构。
 
月球表面遭受普遍和强烈的小行星撞击改造,因此月表物质是不同撞击事件溅射物的混合。溅射物的石块大小和堆积厚度又与撞击事件的规模和距离相关。也就是说,月球浅层结构原封不动地记录下了小行星撞击的“画面”,形成一本星球演化的天然“日记”。
 
“黑科技”助力
 
上世纪70年代以来,美国“阿波罗计划”通过在月表钻取月壤样品及月震仪探测等方式,尝试“看清”月球浅层结构。但钻孔样品深度仅2米且钻孔位置有限;月震波的方法的空间分辨率较低,难以识别月球浅层的精细结构。即使结合月震波、微波、地形地貌及小撞击坑溅射物光谱分析等多种方法,也只能间接获取一些粗略特征。
 
2019年1月,嫦娥四号探测器怀抱“玉兔二号”抵达月球背面南极—艾肯盆地中的冯·卡门撞击坑,实现人类首次月球背面软着陆,随即开展了就位探测和巡视探测。
 
为探测人类向往已久的月表浅层结构,“玉兔二号”搭载了足够先进的“黑科技”——测月雷达。雷达由2个频率通道组成,其中高频通道探测深度约50米,用于探测月壤及其下伏溅射物的高分辨结构,低频通道探测深度可达约500米,用于探测可能存在的厚层状溅射角砾岩层和玄武岩层等结构。
 
在此之前,作为“玉兔二号”的“前辈”,嫦娥三号依靠测月雷达开展了“边走边探”的工作,完成了首幅月球浅层结构剖面图,揭示了嫦娥三号着陆区的地质结构和地质演化过程,并发现了一种新的岩石类型。基于这些发现,科学家揭示了该区域的火山活动历史。
 
3个月昼的数据
 
2019年3月13日,“玉兔二号”完成3个月昼工作,进入第三个月夜,累计行走163米。
 
收到数据后,科研团队和载荷研制团队立即投入到研究工作中。作为论文3位共同第一作者之一,地质地球所研究员张金海负责数据处理,中国科学院空天信息创新研究院研究员周斌为测月雷达设计师、负责厘定原始数据,澳门科技大学助理教授祝梦华则负责撞击坑模拟。
 
经过地质解译,“玉兔二号”所到之处的浅层结构剖面清晰地展现在科学家面前。着陆区的浅层结构由上往下分为3个基本单元:单元1总厚度130米,为临近多个撞击坑的溅射物堆积和底部的玄武岩角砾层;单元2总厚度约110米,为多次喷发的玄武岩层;单元3总厚度不小于200米,则为着陆区北部的莱布尼兹撞击坑的溅射物。同时,高频雷达信号揭示了单元1上部的精细结构,最顶层30多米厚的物质主要是来自芬森撞击坑的抛射物。玉兔二号所到之处浅层结构剖面(课题组供图)。

玉兔二号所到之处浅层结构剖面(课题组供图)。

这表明,“玉兔二号”探测的月面物质并不是充填冯·卡门撞击坑底的玄武岩,而来自芬森撞击坑。同时,雷达剖面还揭示,着陆区经历了多期次的撞击溅射堆积和多期次玄武岩浆喷发充填。这些新发现对于认识月球南极—艾肯盆地的演化具有重要意义,对于月球内部物质组成与结构的后续探测和研究有重要的指导作用。
 
研究人员表示,期待后续探月工程能搜集到更多来自月球背面“隐秘角落”的信息,以帮助科学家完整解密“月球日记”。
 
相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41550-020-1197-x
 
(原标题 “玉兔”打开月球背面“隐秘角落”)
(责任编辑:张晓峰、李军)

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