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月背地下3个地层单元的结构示意图/国家天文台供图
【核心阅读】基于“玉兔二号”月球车高频通道雷达所探测到的数据，国家天文台李春来、苏彦研究员领导的科研团队，首次揭示出月球背面着陆区域地下40米深度内的地下分层结构。这将极大提高人们对月球撞击和火山活动历史的理解，并为月球背面的地质演化研究带来新的启示。接下来，随着探测数据增多，科研人员会更精准地进行解译，从而揭示月背地下更深层的地质结构。
2019年1月3日，嫦娥四号探测器在月球背面的南极—艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑底部成功着陆。之后，“玉兔二号”月球车便利用全景相机、红外线光谱仪、测月雷达等先进仪器，对月球背面展开科学探索研究。
2020年2月27日，中国科学院国家天文台发布消息称，国家天文台李春来、苏彦研究员领导的科研团队，利用“玉兔二号”月球车上的测月雷达，首次揭示出月球背面着陆区域地下40米深度内的地下分层结构，发现地下物质由低损耗的月壤物质和大小不同的大量石块组成。这是人类首次揭开月球背面地下结构的神秘面纱，该重要成果于北京时间27日凌晨，在线发表在国际科学期刊《科学·进展》上。
基于高频通道雷达探测数据，识别出月背的3个不同地层单元
冯·卡门撞击坑的中心位置为月球南纬44.45度、东经176.3度，直径约186千米，坑内地形相对平坦，坑底被玄武岩填充。玄武岩表面相当一部分区域被周边大型撞击坑的溅射物所覆盖，并广泛分布着二次撞击坑。
“玉兔二号”月球车于着陆后次日早上就已开始工作。此次由国家天文台带领中外学者取得的研究成果，是基于它前两个月昼期间500兆赫兹的高频通道雷达所探测到的数据。
苏彦介绍：“‘玉兔二号’月球车的测月雷达好比是一台给月球做ct的仪器，通过高频通道探测获得的数据，我们得到了月球背面地下浅层的第一张雷达图像、月表下物质的特性参数以及溅射物内部的地层序列。”
研究团队通过计算分析月球浅层物质的特性参数，包括电磁波在月表下物质中的传播速度、介电常数、密度、损耗参数和钛铁含量等，并根据获得的物性参数和雷达图像，沿着月球车行走的106米路径上，在深度40米范围内，识别出3个不同地层单元：
第一单元为从月球表面到地下12米的细粒月壤，内嵌有少量石块，此月壤层形成于多个撞击坑互叠的溅射物之上，这些溅射物可能来自周边的芬森和冯·卡门撞击坑等。
第二单元从地下12米到24米，这是雷达图像上回波强度最大的区域，表明内部存在大量的石块，甚至形成有碎石层和碎石堆，说明溅射物的沉积不仅仅是地毯式的铺散，也会伴随着物质之间的剪切、混合、挖掘以及二次撞击坑结构扰动等复杂的地质过程。
第三单元从地下24米到40米，雷达回波明暗交替变化，是不同时期、更古老的溅射物的沉积和风化产物。
“月球背面地下结构被首次揭晓，对于了解撞击过程对月表的改造、火山活动规模与历史等具有非常重要的意义，也将极大提高人们对月球撞击和火山活动历史的理解，并为月球背面的地质演化研究带来新的启示。”李春来说。
揭示月球背面的物质组成，证实了月幔富含橄榄石推论的正确性
冯·卡门撞击坑所在的南极—艾特肯盆地是太阳系中最古老的撞击坑之一，保留了原始月球的岩石，具有非常高的科研价值。自“玉兔二号”月球车登陆月球背面开展科学探测以来，除上述重要发现外，中国科学家还利用它探测到月幔物质出露的初步证据。
有关月球早期演化的理论认为，月壳是由岩浆洋中较轻的斜长石组分上浮结晶形成，而如橄榄石、辉石等较重的矿物则下沉形成月幔。然而，从阿波罗任务返回的月球样品中没有发现与月幔物质组成有关的直接证据，关于月幔物质组成的推论至今没有被很好地证实。
2019年5月，这一推论终于被中国科学家证实。
当日凌晨，国际学术期刊《自然》在线发布了一项重要成果：中国科学院国家天文台李春来研究组与合作者在利用“玉兔二号”月球车上搭载的可见—近红外成像光谱仪的光谱初始观测结果推断出，月球表面存在的低钙辉石和橄榄石矿物可能起源于月球地幔。这也是人类首份月球背面幔源物质的初步证据。
“嫦娥四号着陆的南极—艾特肯盆地是月球已知最深的盆地，形成于40亿年以前，那时候月壳应该是很薄的。一个大的撞击就有可能把外壳打穿，把月球深部的东西露出来。”李春来说。但是，从现有月球轨道器获得的遥感数据表明，虽然南极—艾特肯盆地区域的铁镁质矿物含量偏高，但并没有橄榄石广泛出露的证据。这些物质是否可能来源于月幔还存在争议。
“玉兔二号”月球车着陆月球背面的第一天，其搭载的可见—近红外成像光谱仪即成功获取了着陆点附近两个探测点的高质量光谱数据。研究团队分析发现，嫦娥四号着陆区月壤光谱的吸收特征展现出低钙辉石的光谱特征，并暗示有大量橄榄石的存在。
“进一步的地质背景分析表明，这些物质是由附近直径72公里的芬森撞击坑挖掘出来，并抛射到了嫦娥四号着陆地点的月幔物质。”李春来说。
科研人员表示，这一研究工作成功揭示了月球背面的物质组成，证实了月幔富含橄榄石的推论的正确性，人类对月球内部形成与演化的认识又向前迈进了一步。
进入第十五个月昼工作期，将揭示月背地下更深层次的结构
截至目前，嫦娥四号探测器在月球背面的工作时长已超过400天，远超其设计寿命；“玉兔二号”月球车克服各项障碍，累计月面行驶370多米。
“玉兔二号”月球车状况如何，接下来科研人员还将开展哪些研究？
“‘玉兔二号’月球车的设备状态目前依旧很好，我们已经开始进行第十五个月昼的数据接收工作了。”苏彦说：“雷达有高频和低频两个通道，其中高频通道数据是用来研究地下浅层结构的。我们这次发表的成果就是基于浅层的探测数据。那么，随着探测数据积累增多，我们将能判断和识别出着陆区一个更大范围的地下结构。”
科研人员在收集分析“玉兔二号”月球车测月雷达高频通道探测数据的同时，也在不断接收和处理其低频通道探测数据。只是，相对高频通道数据而言，处理分析雷达低频通道数据比较困难。
对此，苏彦进一步解释：“低频雷达能够探测到地下几百米深的地层结构，但由于车体干扰和收发天线耦合等问题，干扰信号很强，对地下分层有效信号识别起来会更加困难。随着‘玉兔二号’月球车行走的距离增加，我们积累的低频雷达数据也会越来越多，下一步主要工作之一就是更精准地去解译这些数据，从而揭示月背地下更深层的地质结构。”
国家天文台刘建军研究员说：“后续我们将进一步开展着陆区光谱和雷达探测，深入研究该区域的物质成分和月表地下结构；积累月球背面低频射电、月表中子及辐射剂量和月表中性原子等探测数据，持续开展月球科学研究。”
“‘玉兔二号’月球车现在仍然行驶在溅射物分布的地方，我们希望它能一直保持好的状态，走到玄武岩覆盖区域。”苏彦说。
栏目主编：秦红
本文作者：人民日报吴月辉
文字编辑：李林蔚
题图来源：视觉中国
图片编辑：徐佳敏

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