到月球背面去，到美國人不曾涉足的地方去！北京時(shí)間2019年5月16日凌晨，美東時(shí)間5月15日下午，Nature雜志在線發(fā)表我國探月工程的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)。
中國科學(xué)院國家天文臺(tái)李春來研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)利用嫦娥四號就位光譜探測數(shù)據(jù)，證明月球背面南極-艾特肯盆地（SPA）存在以橄欖石和低鈣輝石為主的深部物質(zhì)，為解答長期困擾學(xué)界的月幔物質(zhì)組成問題提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，為完善月球形成與演化模型提供了有力的支撐。這篇題為Chang’E-4 initial spectroscopic identification of lunar far-side mantle-derived materials的研究論文，由國家天文臺(tái)、中科院上海技術(shù)物理所、和中科院地球化學(xué)所三家單位共同完成，中國月球探測工程首席科學(xué)家，被譽(yù)為“嫦娥之父”的歐陽自遠(yuǎn)院士也是作者之一。
有關(guān)月球早期演化的理論認(rèn)為，月殼由是巖漿洋中較輕的斜長石組分上浮結(jié)晶形成，而如橄欖石、輝石等較重的礦物下沉形成月幔。然而，這一關(guān)于月幔組成的理論至今沒有很好地被證實(shí)。無論是美國的阿波羅任務(wù)還是前蘇聯(lián)的月球任務(wù)，所返回的月球樣品均沒有發(fā)現(xiàn)月幔準(zhǔn)確物質(zhì)組成的直接證據(jù)。后來，人們意識(shí)到隕石撞擊月球所形成的環(huán)形山，猶如一口鉆井，可能因?yàn)殡E石撞穿月殼從而暴露月幔的物質(zhì)成分。這其中最有希望的，顯然是位于月球背面的南極-艾特肯盆地（SPA），月球上最大的、也是最古老的隕石坑，直徑高達(dá)2500公里。可是此前的探月飛行器也沒有發(fā)現(xiàn)月幔指示礦物—橄欖石的大量出露的證據(jù)。顯然，要證明富橄欖石的月幔假說，我們需要登陸月球背面。
2019年1月3日，中國嫦娥四號（CE-4）探測器“定點(diǎn)、定時(shí)、精確”地著陸在月球背面預(yù)選著陸區(qū)馮卡門坑內(nèi)。這是人類探測器首次成功登陸月球背面。這個(gè)著陸選址很有講究，如上圖所示，位于SPA的馮卡門隕石坑，月面相對平緩，既便于著陸，又最大可能探測到月幔物質(zhì)。更重要的是，其不遠(yuǎn)處，還有一個(gè)小隕石坑Finsen，其被撞擊噴出的物質(zhì)，可能散落到這里。后來的數(shù)據(jù)表明，這是極其關(guān)鍵的一點(diǎn)。
1月3日巡視器（玉兔2號）與著陸器分離，其上攜帶的紅外成像光譜儀（VNIS）成功獲取了如上圖所示著陸區(qū)兩個(gè)探測點(diǎn)高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)。國家天文臺(tái)和儀器研制單位中科院上海技術(shù)物理所組成的研究團(tuán)隊(duì)通過對光譜數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，CE-4著陸區(qū)月壤光譜的吸收特征與月球正面月海玄武巖質(zhì)月壤光譜的吸收特征存在著顯著差異，展現(xiàn)出低鈣輝石的光譜特征，并暗示有大量橄欖石的存在，如下圖所示。進(jìn)一步的分析證實(shí)，CE-4著陸區(qū)月壤物質(zhì)中橄欖石相對含量最高，低鈣輝石次之，僅含有很少量的高鈣輝石。這種礦物組合很可能代表了源于月幔的深部物質(zhì)。
前面已經(jīng)提到，CE-4號探測器的著陸點(diǎn)位于SPA盆地內(nèi)的馮卡門撞擊坑內(nèi)部。早期研究結(jié)果表明其表面被后續(xù)噴發(fā)的玄武巖所填充。對覆蓋著陸區(qū)域的高分辨率遙感圖像數(shù)據(jù)和高光譜數(shù)據(jù)的分析結(jié)果顯示，著陸器和月球車位于玄武巖“平原”的撞擊濺射物上，這些濺射物來自東北方向的芬森（FINSEN）撞擊坑，如下圖所示。40多億年前SPA盆地形成時(shí)已將月殼減薄或完全剝離。FINSEN坑是由小天體撞擊SPA盆地內(nèi)部表面而形成，其猶如在SPA表面打的一口“深鉆”一般，進(jìn)一步將SPA盆地表面以下月球更深部物質(zhì)挖掘出，產(chǎn)生的濺射物四處拋射，呈輻射線撒布在馮卡門撞擊坑“平原”上。因此，CE-4 VNIS分析到的對象是FINSEN撞擊坑挖掘、拋射到馮·卡門撞擊坑表面的月幔物質(zhì)。
嫦娥四號探測器實(shí)現(xiàn)了人類歷史上首次對月球背面的軟著陸就位探測。基于探測數(shù)據(jù)的研究結(jié)果成功揭示了月球背面的物質(zhì)組成，證實(shí)了月幔富含橄欖石的推論的正確性，加深了人類對月球形成與演化的認(rèn)識(shí)。據(jù)介紹，后續(xù)探測會(huì)嘗試將樣品送回地球。