嫦娥四號與玉兔二號（圖片來源：中國國家航天局）
2019年1月，中國發射的嫦娥四號探測器成功在月球背面的馮卡門坑著陸，成為首個在月球背面軟著陸的探測器。著陸數小時後，「玉兔二號」月球車從嫦娥四號釋放。利用玉兔二號月球車搭載的測月雷達，中國科學家首次揭露了月球背面著陸區域地下40米深度內的地層結構。這一研究對於了解月球上火山活動與隕石撞擊的歷史，以及月球的地質演化過程具有重要的意義。
撰文 | Jonathan O'Callaghan
編譯 | 張二七
審校 | 吳非
早期月球表面其實並不像我們曾以為的那樣風平浪靜。大約45億年前，在太陽系誕生後不久，月球可能就形成了。隨後，它灰暗而荒涼的表面就不斷遭受了許多次隕石撞擊，造就了現在這樣一張布滿碎石的「麻子臉」。然而在這層表面之下，隱藏著最吸引人類探索者的那些秘密。通過探測月球的地層結構，以及撞擊形成的隕石坑和濺射物，人們或許就能了解月球不為人知的歷史。而這些秘密，正在被中國的嫦娥四號探測器逐一揭開。
在一項發表於最新的《科學進展》期刊的研究中，中國科學院國家天文臺研究院李春來、蘇彥領導的研究團隊利用月兔二號月球車搭載的測月雷達，首次揭示了月球背面地下40米深度內的地質結構。嫦娥四號探測器發射於2018年12月，並於2019年1月3日在月球背面的南極-艾肯特盆地內的馮·卡門隕石坑底部成功著陸，這也是世界首個實現月球背面軟著陸的太空飛行器。
南極-艾肯特盆地形成於39億年前，直徑約2500千米，是目前太陽系內已知最大和最古老的隕石撞擊盆地。對南極-艾肯特盆地的研究，可以幫忙我們理解大型撞擊事件是如何塑造地球及其他系內行星的。嫦娥四號著陸數小時後，其搭載的「玉兔二號」月球車完成分離，在馮卡門隕石坑內緩慢移動，並定期停下來進行一些測量任務，目前已經行駛了超過300米。
2019年7月，NASA的月球勘測軌道飛行器拍到了月球背面馮卡門隕石坑中的嫦娥四號探測器（圖片中央的黑點）和玉兔二號月球車（西北方向的小黑點）（圖片來源：James Stuby改自NASA）
月球背面的地下淺層結構
馮卡門隕石坑直徑186千米，是南極-艾肯特盆地中大量隕石撞擊坑中的一個。通過研究嫦娥四號搭載的測月雷達所傳回的雷達圖像，研究者發現，在著陸區下方散落著大量濺射物，並且清晰地分為三個不同的地層。月球表面發生過大量的隕石撞擊事件，每一次撞擊都會產生許多碎片，它們會以高速噴出，並分散沉積到周圍的月球表面，目前這些濺射物已經覆蓋了整個月球的表面。「我們觀測到了非常清晰的地層層序。」論文作者之一，義大利羅馬第三大學的埃琳娜·佩蒂內利（Elena Pettinelli）說。
玉兔二號月球車攜帶的探月雷達能夠探測到月表以下40米深的地層，其探測能力是2013年12月著陸到月球正面的嫦娥三號的兩倍以上。根據目前傳回的物性參數和雷達圖像，沿著玉兔二號月球車行走的106米的路徑，其下方40米的地層呈現出清晰的三層：最表層為地下0~12米，主要由細粒月壤組成，其中嵌有少量碎石；第二層為地下12~24米，這一層是雷達圖像上回波強度最大的區域，表明內部存在著大量的粗粒礫石，可能是撞擊產生的濺射物沉積後，又發生了二次撞擊等複雜的地質過程；第三層一直延伸到地下40米深，雷達回波明暗交替變化，表明其粒度呈現粗粒和細粒的互層，是更古老的撞擊濺射物的沉積和風化產物。深度超過40米時，雷達信號微弱，已經無法推測其物質特性。結合月球的區域地質歷史，在著陸點附近區域，在深度超過40米的地方，分布著完整的月海玄武巖。
圖為嫦娥四號著陸區域的地下淺層結構，圖片來源：Li et al., 2020
圖為雷達回波圖像（A）,雷達數據的層析成像圖（B，紅色代表高反射率，藍色代表低反射率），和月球地層層序示意圖（C）。（圖片來源：Li et al., 2020）
目前，我們無法確定嫦娥四號探測器著陸區域下方地層的確切年齡，以及這些物質具體來源於附近的哪個隕石坑。不過，我們依然可以通過這些地層推測月球的部分演化歷史。佩蒂內利表示，撞擊發生後，較小的噴射物能夠飛得更遠，因此地層中粒度較小的巖石可能來源於更遠的撞擊坑。「而相對的，那些大塊的巖石，應該只能落在撞擊位置的附近。」
月球的演化歷史
上世紀60、70年代，美國和蘇聯為了探索月球的奧秘，分別啟動了阿波羅和Luna登月計劃。然而當時的探測器都缺乏嫦娥三號和嫦娥四號具備的雷達探測能力，同時，它們也未能展開對月球背面的探索。在此之後，美國航空航天局（NASA）的兩個「聖杯號」（Gravity Recovery and Interior Laboratory, GRAIL，即重力恢復與內部結構實驗室）探測器曾在2011-2012年進行繞月飛行，通過探測到的月球引力場數據，它們能夠以非常低的解析度，提供月球數百千米深的地層的一些大體特徵。而現在，來自中國的探測器為我們揭開了月球地下奧秘的一角。
美國NASA戈達德航天中心（Goddard Space Flight Center）的月球科學家丹尼爾·莫裡亞蒂（Daniel Moriarty，並未參與到新論文中）表示，這個新的發現非常有趣，因為它能夠幫助我們了解月球的演化歷史。他說：「月球與地球的表面區別很大。」地球表面經受了許多複雜的風化和地質活動，因此發生過很大的改變。「而對於月球來說，僅有的兩種大規模活動，分別是隕石撞擊和火山活動，（而探測到的地層結構）提供了這兩方面活動的證據。」
在論文中研究者提出，對於這種地層結構，最可能的解釋是，火山活動形成的月海玄武巖覆蓋了這裡，隨後附近的隕石撞擊事件帶來的濺射物逐漸在這裡沉積。
莫裡亞蒂指出，在之後的撞擊過程中，底層的月海玄武巖很可能與其他撞擊形成的碎屑混在了一起，因此地層中的一些巨礫巖石可能就是這些玄武巖分解後形成的，而不是由附近的撞擊帶來的。另一種可能就是月幔物質在南極-艾肯特盆地形成的那次撞擊中暴露出來，隨後又與其他碎屑混合在一起。
目前，作為歷史上在月球工作時間最長的探測器，玉兔二號月球車仍在月球背面行進，探測更多此前從未涉足的月球區域。研究人員希望它能夠觀測到地層中撞擊碎屑的尺寸變化，從而揭露出月球古老的撞擊歷史中的更多細節。佩蒂內利說：「我們正要求探測器向著（研究人員認為的碎屑）粒度發生變化的方向行進。」研究者認為，這可以極大地增進我們對月球隕石撞擊和火山活動歷史的了解，並可能為理解月球背面的地質演化過程提供新的思路。