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月球车玉兔到底发现了什么?

杨蔚 张金海 胡森

本文三位作者,都是中国科学院地质与地球物理研究所副研究员,分别从事地球化学、地球物理和比较行星学研究。他们分别参与了玉兔号月球车3个科学载荷的数据处理工作,相关论文作为封面文章发表在《美国国家科学院院刊》上。

【本文首发于果壳网


自嫦娥三号在月球上成功着陆以来,月球车玉兔一直吸引着众人关注的目光。这倒一点儿都不出人意料,毕竟除了特别擅长卖萌以外,月球车玉兔还是近 40 年来,在月球这片天外大地上踏足的唯一巡视探测器。

事实上,嫦娥三号于 2013 年 12 月 14 日在月球雨海东北部成功实施的软着陆,是上世纪六七十年代阿波罗成功登月之后的 40 余年里,人类探测器实现的唯一一次月球软着陆。这也使得我国成为继美国和苏联之后,世界上第 3 个独立实施月球软着陆的国家。

嫦娥三号完成了我国探月工程“绕”、“落”、“回”三个阶段的第二步,但这些阶段毕竟只是工程目标——它是过程,而不是最终目的。嫦娥工程的最终目的,是要服务于国家的战略需求,对月球进行实地科学勘测。

现在,是时候来看看,月球车玉兔在月面上都干了哪些正经事,又交出了怎样一份成绩单了。

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`左图是玉兔号月球车,右图是嫦娥三号着陆器。`

为什么落在雨海?

要了解月球车玉兔的科学任务,先得从一个最基本的问题说起,那就是——玉兔号为什么要去探测月球雨海的东北部?

嫦娥三号的着陆位置受到很多客观因素的制约,并不是想去哪里就可以去哪里的。首先,由于月球总是以一面对着地球,所以为了保证与月球车的实时通讯,着陆点最起码不能位于月球背面;其次,为了避免重复性工作,嫦娥三号要尽可能远离先前阿波罗计划已经去探测过的着陆点;此外,还要选择地形比较平坦的区域,以保证软着陆的安全和月球车的行驶。

在考虑完所有的客观制约因素后,接下来,玉兔号才能够主观选择“自己想做点啥”。探月工程师费了多少心血才让玉兔获得在月球上“到此一游”的资格,自然得朝着科学意义最大的地方去了。月球的关键科学问题包括如下几个:

  1. 月球的成因(大撞击假说);
  2. 岩浆洋的演化和月壳的形成;
  3. 月海盆地的形成和玄武岩的喷发历史;等等。

自阿波罗计划以来,月面勘测的空档已经延续了40多年,能不能在月球研究中再迈出个“一大步”,这事儿,就扛在了小小玉兔的肩膀上。

对于这些科学问题,雨海盆地都是很好的研究对象。证实或证伪大撞击假说有一个方法,即通过化学成分研究,寻找地球和月球的亲缘性或者差异性。雨海作为月球最大的盆地,在估算全月球成分时会占据较大的权重。另外,风暴洋-雨海地区富含克里普组分(KREEP)[1],而科学家认为克里普组分代表了月球岩浆洋结晶最后的残留岩浆,是我们理解月球岩浆洋演化的关键。还有,雨海填充有大量的玄武岩,可以帮助我们揭示月球的火山活动历史。

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`嫦娥三号和玉兔号月球车的着陆点。`

这幅我们再熟稔不过的月面图像,已经暗示了其中的些许端倪——左图白色的圆圈是阿波罗计划的着陆点,红色的十字则是嫦娥三号的着陆点。右图显示,嫦娥三号着陆点位于月球雨海盆地北部的玄武质熔岩流之上。

雨海盆地很大,可供选择的着陆点很多,为什么偏偏选择这里?留意照片的颜色,我们可以明显看到,玄武岩分为黑色和亮灰色两大类。(注意:玄武岩是整体较暗的部分,不是明亮的月陆!)玄武岩的不同色调,很可能代表着截然不同的岩浆事件,以及更深层次的月球演化行为。尽管工程控制不可避免的会存在误差,但幸运的是,嫦娥三号最终着陆在两类玄武岩交界线南侧仅 10 千米的地方。如果玉兔号能够穿越两类玄武岩的交界线,那么通过这一次巡视,就可以探测两类玄武岩的组成和厚度,进而根据这些基础的岩石学信息,反演出月球历史的大事件。

玉兔号的装备

为了探测月球的物质成分和地下结构,玉兔号携带了3样科学设备,分别是粒子激发 X 射线谱仪,可视-近红外成像光谱仪和探月雷达。

粒子激发 X 射线谱仪搭载在月球车玉兔的机械臂上,用于探测月壤和月岩的化学成分分析。它利用自身携带的放射源产生 α 粒子和 X 射线,轰击样品表面以产生 X 射线荧光。根据 X 射线荧光的能量和强度,可以计算样品表面的化学成分。可视-近红外成像光谱仪则安装在玉兔号的前端,能够获取样品表面的可视-近红外光谱,从而计算其主要矿物组成。

值得一提的是探月雷达,这是人类探月以来首次在月球表面直接进行雷达探测任务。探月雷达在月球表面激发电磁脉冲,这些电磁波传入月表以下,遇到电磁属性不同的地层,便会在界面上反射。利用天线接收反射回来的电磁波,便能够反推月壤和浅表月岩的分层结构。月球车玉兔上的探月雷达,低频通道的探测深度可达 400 米,而且由于直接在月球表面上探测,它的分辨率要比其他方法更高。

玉兔号有什么新发现?

玉兔号在两个月昼内对月壤进行了 2 次粒子激发X射线谱仪分析, 4 次可视-近红外成像光谱仪分析,还利用雷达探测了一条近百米长的剖面。

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`玉兔号月球车在月面上的行驶轨迹。`

图中,黑色线条显示了月球车玉兔的行驶轨迹,红色五角星是嫦娥三号的着陆位置。 A 和 B 是着陆区两个较大的撞击坑, LS1 和 LS2 是 2 次粒子激发 X 射线谱分析的位置, CD5-CD8 是 4 次可视-近红外成像光谱分析的位置。

通过月球车玉兔的实地探测结果,在月球的火山活动历史和月壤的厚度两个方面,我们都得到了新的认识[2]。

首先,玉兔号发现了一种新类型的玄武岩,并且这一玄武岩单元规模巨大。粒子激发 X 射线谱仪获得了月壤 12 种元素的准确含量。与阿波罗月海盆地的月壤相比,我们发现嫦娥三号着陆处的月壤铁和钛含量较高,而铝含量较低,在成分上表现出了截然不同之处,说明其下的玄武岩是一种新的类型。此外,这里的月壤中富含钾、锆、钇、铌,表明这种玄武岩混入了 10-20 % 的克里普组分。根据玉兔号的探测结果,该玄武岩可能由富含铁和钛的月幔源区部分熔融形成,然后在上侵过程中受到月壳底部的克里普岩层混杂,最后溢出月表,充填到了雨海盆地。重要的是,雷达探测到这一年轻的玄武岩层的厚度达到 195 米,这说明直至距今 25 亿年前,雨海盆地仍有大规模的火山喷发。

其次,玉兔号首次利用雷达在月表实测了月壤厚度。借用地震勘探领域的瞬时频谱分析和偏移成像等信号处理技术,我们获得了着陆区的月壤结构和厚度。探月雷达剖面显示,月壤具有分层结构,其顶部分层厚约 0.7 米,质地均匀,几乎不含石块,而底界有一定的起伏,平均厚度约5米。由于月壤是小行星撞击月表岩石形成,地质年龄越大,月壤厚度也越大。嫦娥三号着陆区的年龄明显小于其他月海区域,但实测的月壤厚度明显大于其他间接方法估算的 2-4 米,说明整个月球的月壤厚度都可能被低估了。由于氦3和氢等重要资源主要赋存于月壤,这一发现将对这些重要资源储量的估算产生较大影响。

此外,玉兔号还在月面对原始产状的月壤就位展开了化学组成和光谱分析,其结果可以作为月球轨道遥感探测数据的校正标准值,提高全月球化学成分矿物组成的解译精度。轨道遥感能够探测全月球的化学组成分布,但是精度和准确度都较差;而就位测量精度和准确度较高,却仅能探测某个特定地点。在没有就位测量数据的时候,科学家要想评估轨道遥感数据的精确度和准确度,那是相当困难的。而玉兔号返回的就位探测数据,相当于为轨道测量数据提供了一个可以对比的标准,因为这个地点同时拥有了就位探测数据和轨道探测数据。通过与就位探测数据进行比对,科学家就可以对轨道探测数据的处理方法进行修正,从而提高精确度和准确度。

作为我国第一个自主研发的月面巡视探测器,月球车玉兔已经完成了它的历史使命。虽然,月球车玉兔最终没能穿越两类玄武岩的交界线,留下了些许遗憾。但是,无论在工程技术方面,还是在科学研究方面,它对我国的深空探测事业都具有非凡的意义。在工程上,它是零的突破。而在科学上,它为我们进一步了解月球的形成和演化提供了新的认识。


致谢:

感谢果壳网达人溯鹰对本文的修改和润色!(编辑:Steed)

附注: