本文原發(fā)于學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)通報(bào)》的“悅讀科學(xué)”欄目，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)蘇彥、李春來(lái)研究員撰寫，介紹人類歷史上對(duì)月球背面進(jìn)行的第一次雷達(dá)就位探測(cè)。
月球形成于大約45億年前，那時(shí)候地球也才剛剛形成。從那時(shí)起，月球灰暗而荒涼的表面就不斷遭受隕石和小天體的撞擊，造就了現(xiàn)在這樣一個(gè)布滿碎石和撞擊坑的月球表面。然而，在月球地表之下，卻隱藏著最吸引人類探索的那些秘密。對(duì)月球內(nèi)部地層結(jié)構(gòu)，以及撞擊形成的隕石坑和濺射物進(jìn)行探測(cè)，可以了解月球撞擊過(guò)程如何改造月球表面和火山活動(dòng)等不為人知的歷史。
早在1972年，阿波羅17號(hào)搭載的雷達(dá)探測(cè)儀試驗(yàn)首次以非常低的分辨率對(duì)月球局部區(qū)域進(jìn)行了探測(cè)[1]。2007年，日本Kaguya上搭載的5 MHz雷達(dá)探測(cè)儀對(duì)全月球進(jìn)行了探測(cè)，獲得了月球正面多個(gè)月海局部區(qū)域1 km以上的玄武巖厚度，次表層分辨率為百米量級(jí)[2]。受探測(cè)深度、分辨率和觀測(cè)范圍等因素的限制，這些探測(cè)器沒(méi)有獲得月球背面次表層分層的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征，缺乏嫦娥三號(hào)和嫦娥四號(hào)具備的雷達(dá)探測(cè)能力。
2013年12月，嫦娥三號(hào)著陸在雨海北部紫薇撞擊坑的濺射毯上，首次搭載了雙通道探地雷達(dá)，其高頻觀測(cè)數(shù)據(jù)揭示了月球正面紫薇撞擊坑濺射毯深度10 m以上的結(jié)構(gòu)[3~5]。
2019年1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器在月球背面南極–艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑底部成功著陸(圖1)。玉兔二號(hào)月球車搭載的測(cè)月雷達(dá)是人類歷史上第一次對(duì)月球背面進(jìn)行的雷達(dá)就位探測(cè)。2020年2月27日，我們?cè)赟cience Advances發(fā)表研究論文，首次揭示了沿著玉兔二號(hào)月球車行走的106 m的路徑，月球背面著陸區(qū)地下40 m深度內(nèi)的分層結(jié)構(gòu)[6]。
嫦娥四號(hào)著陸區(qū)(a)和玉兔二號(hào)月球車
第一和第二月晝行進(jìn)路線圖(b)[6]
南極–艾特肯盆地形成于前酒海紀(jì)，是月球表面最古老、最大的撞擊盆地。對(duì)南極–艾肯特盆地的研究，可以幫助我們理解大型撞擊事件是如何塑造地球及其他系內(nèi)行星的。馮·卡門撞擊坑(中心位置44.45°S，176.3°E; 直徑~186.3 km)位于SPA盆地的西北部，整體地形相對(duì)平坦，坑底被玄武巖所填充。根據(jù)撞擊坑大小–頻率分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，底部玄武巖年齡大約為36億年。玄武巖表面相當(dāng)一部分區(qū)域又被周邊大型撞擊坑的濺射物所覆蓋，并廣泛分布著成人字鏈狀的二次撞擊坑。
測(cè)月雷達(dá)(由中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所研制)是一種基于月球車巡視探測(cè)平臺(tái)的高分辨率月球表面穿透成像雷達(dá)，工作在60和500 MHz兩個(gè)頻段，空間分辨率分別為米級(jí)和優(yōu)于0.3 m[7]。測(cè)月雷達(dá)于2019年1月4日9點(diǎn)29分開始工作，在前兩個(gè)月晝中，共工作6小時(shí)28分鐘53秒。
玉兔二號(hào)月球車行進(jìn)從X點(diǎn)到A點(diǎn)，為測(cè)月雷達(dá)參數(shù)在軌測(cè)試階段，從A點(diǎn)到LE210點(diǎn)為探測(cè)階段，不同的參數(shù)設(shè)置導(dǎo)致雷達(dá)圖像的不連續(xù)性，因此研究團(tuán)隊(duì)使用從A點(diǎn)到LE210點(diǎn)的探測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)預(yù)處理[8]、數(shù)據(jù)拼接、背景去除、帶通濾波、幅度補(bǔ)償和偏移處理等一系列處理，最終獲得雷達(dá)圖像(圖2)。
測(cè)月雷達(dá)高頻通道(500 MHz)雷達(dá)圖像[6]。(a) 經(jīng)過(guò)背景去除、增益調(diào)整和偏移處理后的雷達(dá)圖像; (b) 基于層析反演方法重建的雷達(dá)圖像; (c) 地層序列示意圖
基于雷達(dá)數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算分析了月球淺層物質(zhì)的特性參數(shù)，包括電磁波在月表下物質(zhì)中的傳播速度、介電常數(shù)、密度、損耗角正切和鈦鐵含量等。并利用層析重建算法，反演月表下所埋尺寸大于半波長(zhǎng)目標(biāo)物的大小和分布。
嫦娥四號(hào)和嫦娥三號(hào)搭載的測(cè)月雷達(dá)指標(biāo)和工作狀態(tài)完全相同。對(duì)比兩次任務(wù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，玉兔二號(hào)月球車攜帶的探月雷達(dá)能夠探測(cè)到月表以下40 m深的地層，其探測(cè)深度(雙向傳輸時(shí)間)是著陸到月球正面的嫦娥三號(hào)的三倍以上。結(jié)果顯示，嫦娥四號(hào)著陸區(qū)地下物質(zhì)對(duì)信號(hào)衰減更小，鈦鐵含量更低。
月球的兩種大規(guī)?；顒?dòng)分別是隕石撞擊和火山活動(dòng)，火山活動(dòng)形成的月海玄武巖覆蓋了馮·卡門撞擊坑的底部，隨后附近多次隕石撞擊事件帶來(lái)的濺射物逐漸在這里沉積。根據(jù)獲得的物性參數(shù)和雷達(dá)圖像，在深度40 m的濺射物內(nèi)部呈現(xiàn)出清晰的三層(圖3)。其中：
最表層為地下0~12 m，主要由細(xì)粒月壤組成，其中內(nèi)嵌有少量碎石。此月壤層形成于多個(gè)撞擊坑互疊的濺射物之上，這些濺射物可能來(lái)自周邊的芬森和馮·卡門L撞擊坑等。
第二層為地下12~24 m，這一層是雷達(dá)圖像上回波強(qiáng)度最大的區(qū)域，表明內(nèi)部存在大量的粗粒礫石，形成了碎石層和碎石堆，可能是撞擊產(chǎn)生的濺射物沉積后又發(fā)生了二次撞擊。濺射物沉積不僅僅是地毯式的鋪散，也伴隨著物質(zhì)之間的剪切、混合、挖掘和二次坑結(jié)構(gòu)擾動(dòng)等復(fù)雜的地質(zhì)過(guò)程。
第三層一直延伸到地下40 m深，雷達(dá)回波明暗交替變化，表明其粒度呈現(xiàn)粗粒和細(xì)粒的交疊，是不同時(shí)期、更古老的濺射物的沉積和風(fēng)化產(chǎn)物。深度超過(guò)40 m時(shí)，高頻通道雷達(dá)信號(hào)微弱，已無(wú)法推斷其物質(zhì)特性。結(jié)合月球的區(qū)域地質(zhì)歷史，在嫦娥四號(hào)著陸點(diǎn)附近區(qū)域，深度超過(guò)40 m的地方，分布著完整的月海玄武巖。
嫦娥四號(hào)著陸區(qū)地下淺層結(jié)構(gòu)
該如何解釋濺射物中這么多的碎石呢? 據(jù)《科學(xué)美國(guó)人》報(bào)道，美國(guó)NASA戈達(dá)德航天中心的月球科學(xué)家丹尼爾·莫里亞蒂(Daniel Moriarty，并未參與到新論文中)指出，一種解釋是，在撞擊過(guò)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后形成的，而不是由附近的撞擊帶來(lái)的。另一種可能是，月幔物質(zhì)在南極–艾肯特盆地形成的那次撞擊中暴露出來(lái)，隨后又與其他碎屑混合在一起。
這項(xiàng)研究工作通過(guò)嫦娥四號(hào)測(cè)月雷達(dá)的直接就位測(cè)量，獲得了月球背面地下淺層的第一張雷達(dá)圖像、月表下物質(zhì)的特性參數(shù)，以及濺射物內(nèi)部地層序列，是人類首次揭開月球背面地下結(jié)構(gòu)的神秘面紗。目前，作為歷史上在月球背面工作的唯一的巡視器，玉兔二號(hào)月球車仍保持良好的狀態(tài)在行進(jìn)，探測(cè)更多此前從未涉足的月球區(qū)域。我們希望它能夠觀測(cè)到更大范圍內(nèi)陸下層位以及地層中撞擊碎屑尺寸的變化，從而揭露出月球古老的撞擊歷史中的更多細(xì)節(jié)，極大地增進(jìn)我們對(duì)月球隕石撞擊和火山活動(dòng)歷史的了解，并為月球背面的地質(zhì)演化過(guò)程研究提供新的啟示。
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