月球背面的地下有什么?“玉兔二号”通过对月球“做CT”获得最新研究成果

据中国探月工程消息:国际科学期刊《科学进展》(Science Advances)于北京时间2月27日在线发表了我国嫦娥四号任务最新研究成果。嫦娥四号地面系统科研团队利用月球车上搭载的测月雷达获取的就位探测数据,首次揭示了月球背面着陆区域地下40米深度内的地质分层结构,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,并阐述了其作用与演化机制。该项研究成果深化了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。

研究论文在《Science Advances》期刊在线发表

2019年1月3日,嫦娥四号探测器在月球背面最古老且最大的南极–艾特肯(South Pole–Aitken)盆地内的冯·卡门(Von Kármán)撞击坑底部成功着陆。已有的研究结果表明,冯·卡门撞击坑形成于前酒海纪,中心位置为44.45°S, 176.3°E,直径约为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,如图2所示。但人类尚不清楚月表尤其是月球背面的地下结构是什么样的、由什么物质组成。

黄色线条和箭头:典型的溅射物覆盖区域,绿色箭头:典型的二次撞击坑分布区域

论文第一作者李春来研究员指出:“和嫦娥三号相比,嫦娥四号测月雷达高频通道的穿透深度是嫦娥三号的三倍多。”

(a)测月雷达随月球车行走探测月表地下浅层结构示意图(b)测月雷达高频通道(500MHz)经过背景去除、增益调整和偏移处理后的雷达图像

2019年1月4日9点29分35秒,嫦娥四号测月雷达开机工作,本研究成果基于测月雷达在第一和第二两个月昼获取的500 MHz高频通道探测数据开展,期间“玉兔二号”月球车共行走106米。

(a)嫦娥四号着陆区影像图 (b)玉兔二号月球车第一和第二月昼行进路线图

嫦娥四号科研团队对月球浅层物质特性参数进行了计算分析,包括电磁波在月表下物质中的传播速度、介电常数、密度、损耗角正切和钛铁含量等。沿着月球车行走的路径,根据获得的物性参数和雷达图像,在深度40米的范围内,识别出了三个不同次表层地层单元。

测月雷达高频通道(500MHz)基于层析反演方法重建的雷达图像

嫦娥四号着陆区地下分层结构示意图

  • 第一单元:从月球表面到地下12米,该地层为细粒月壤、内嵌有少量石块,是由多个撞击坑互叠的溅射物风化而成。
  • 第二单元:从地下12米到24米,该层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,甚至形成了碎石层和碎石堆,夹杂在细粒月壤之中。
  • 第三单元:从地下24米到40米,该层雷达回波明暗交替变化,为不同时期、更古老的溅射物的沉积和风化产物。

深度40米以下雷达回波信号微弱,已无法推断其物质特性。

李春来研究员解释说:“第一单元地层的溅射物可能主要来自周边的芬森和冯·卡门撞击坑等;第二单元地层物质显现出其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、挖掘以及二次撞击的扰动等复杂的地质过程。结合区域地质历史,推测在嫦娥四号着陆点附近,完整的月海玄武岩覆盖达到月表以下大于40米的深度。”

通过嫦娥四号测月雷达的就位探测数据,科研团队获得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,以及溅射物内部地层序列,首次揭开了月球背面地下结构的神秘面纱。

“玉兔二号”月球车已完成了第十四个月昼的科学探测工作,目前正在开展第十五个月昼的科学探测,累计行走了385.537米。

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