圖①：中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所科研團隊向超導磁力儀中放置月壤樣品。 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所供圖 圖②：中國科學院國家天文臺科研人員查看巖屑顯微鏡成像照片。 中國科學院國家天文臺供圖
從地球上觀測，我們看到的月球正面，有著廣闊的月海和眾多環(huán)形山，而月球的背面，卻因潮汐鎖定始終背對著我們，充滿了神秘色彩。
如今，月球背面的神秘面紗正逐步被揭開。
前不久，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學院國家天文臺與南京大學等科研團隊，利用嫦娥六號采回的月球背面樣品取得了4項最新研究成果，以封面文章形式發(fā)表于國際學術期刊《自然》雜志。
這4項研究分別揭示了月背巖漿活動、月球古磁場、月幔水含量及月幔演化特征，首次為人類揭開了月球背面的演化歷史，取得多個“首創(chuàng)性”的關鍵進展。
此前，科學界對于月背的認識主要基于遙感研究?！叭缃裎覈茖W家從嫦娥六號月球樣品中獲得的一系列重要發(fā)現(xiàn)，正不斷顛覆和刷新人類對月球的認知。”中國科學院院士王赤說。
月球的“兩副面孔”——
正面和背面差異巨大
月球的正面和背面差異巨大，正面相對平坦，有廣闊的玄武巖平原；背面則高地遍布，月海稀少，月殼也更厚。
月球為何會有“兩副面孔”？
此前，科學家提出了很多理論來解釋月球的這種“二分性”特征，包括月球形成早期巖漿洋冷卻結晶不均勻、月幔內(nèi)部物質(zhì)對流不對稱等。
然而，過去所有的月球采樣任務都只在月球正面進行，月球背面樣本的缺失使得背面深部月幔特征一直是未解之謎。
2024年6月，嫦娥六號攜帶人類首份月背樣品返回地球。
“這些樣品采集于月球上最大、最古老的撞擊遺跡——南極—艾特肯盆地，為厘清月球正面和背面物質(zhì)組成的差異、破解月球‘二分性’之謎提供了難得的機遇。”中國科學院院士、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員吳福元說。
嫦娥五號從月球正面帶回的樣品和嫦娥六號樣品，僅從外觀看就有天壤之別。
吳福元進一步舉例：“五號樣品顏色深黑，幾乎是純粹的玄武巖；而六號樣品顏色發(fā)淺、泛白，因為其中包含了大量由白色斜長巖組成的高地物質(zhì)?！?/p>
不同于嫦娥五號月壤樣品因靜電效應“活蹦亂跳”，嫦娥六號的月壤樣品異常“溫順”，沒有明顯的靜電現(xiàn)象。如果說嫦娥五號的月壤像干沙子一堆就塌，那么嫦娥六號的月壤則可以堆得很高，甚至形成直立的陡坡而不垮塌。
研究人員推測這可能與顆粒形狀、礦物間的吸附力有關，但具體原因仍在探索中。這不僅是一個有趣的物理謎題，更直接關系到未來月球基地建設，比如如何用月壤制造“月球磚”。
月幔究竟富水還是貧水——
月球背面月幔非?！案伞?/strong>
月幔處于月殼與月核之間，位于月球表面以下約60千米至1000千米處。月幔水含量在揭示月球起源、巖漿活動、資源環(huán)境效應等方面具有重要意義。
“學術界普遍認為，約45億年前，一顆火星大小的天體撞擊原始地球，拋射出的物質(zhì)經(jīng)過重新吸積形成了月球。由于撞擊過程伴隨著極高的溫度，月球‘理應’極度貧水?！敝袊茖W院地質(zhì)與地球物理研究所研究員胡森說，但近20年來，學術界一直存在月幔富水和貧水的爭議。
此次，研究團隊選取了嫦娥六號月球樣品中的玄武巖巖屑開展月幔源區(qū)水含量研究。
胡森說：“月球演化過程中，一部分月幔巖石通過熔融形成熔體，部分熔體被運移到月表形成玄武巖。因此，利用這些玄武巖，我們可以探究月幔的奧秘?！?/p>
研究結果顯示，嫦娥六號玄武巖的月幔源區(qū)極度貧水——水含量僅為1微克/克至1.5微克/克，是已報道數(shù)據(jù)中的最低值，比月球正面月幔更“干”。研究人員猜測，原因可能是發(fā)生在艾特肯盆地的撞擊事件改造了月幔源區(qū)的水。
《自然》審稿人認為，此項研究首次測得月球背面月幔的水含量，具有高度的原創(chuàng)性，是該研究領域中一項意義重大的發(fā)現(xiàn)。
“燒干”后的謎題——
極度貧水，巖漿從何而來
月海玄武巖由月幔發(fā)生部分熔融產(chǎn)生的巖漿上升噴發(fā)至月表形成，是探索月球內(nèi)部物質(zhì)組成和熱演化的重要窗口。因此，嫦娥六號返回樣品研究的首要任務就是確定玄武巖巖屑的年齡和巖漿源區(qū)性質(zhì)。
研究團隊根據(jù)5克月壤中分選出大于300微米的108顆玄武巖巖屑定年研究的結果，揭示嫦娥六號著陸點28億年前存在火山活動，且?guī)r漿來自虧損克里普物質(zhì)（富集鉀、稀土和磷等元素的物質(zhì)）的源區(qū)。
中國科學院院士、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員李獻華說：“其中一顆高鋁玄武巖巖屑揭示42億年前存在來自富集克里普物質(zhì)源區(qū)的火山活動。這表明月背巖漿活動42億年前就存在，至少持續(xù)了14億年?！?/p>
那么，問題來了。
42.5億年前的巨大撞擊，將月球背面的這個區(qū)域“燒”得“超干”“超虧損”，幾乎不含水和易熔物質(zhì)。在如此苛刻的條件下，巖漿是如何產(chǎn)生的？
“升溫、減壓或放射性元素衰變產(chǎn)生熱量積累，這3個因素是可能促使巖漿產(chǎn)生的條件。但月球上都不具備，因為我們在研究嫦娥五號和嫦娥六號的樣品時發(fā)現(xiàn)，其源區(qū)并沒有富集這類元素的證據(jù)?！眳歉Ｔf，“所以，我們現(xiàn)在懷疑，是不是有第四種我們還未知的機制在起作用?！?/p>
探秘“月球磁場發(fā)電機”——
獲取人類首份月球背面古磁場信息
利用嫦娥六號月球樣品，中國科學院研究團隊分析了約28億年前的月球背面磁場信息，為研究月球磁場演化、探秘“月球磁場發(fā)電機”提供了重要依據(jù)。
什么是“月球磁場發(fā)電機”？
“我們知道，地球磁場對我們至關重要，它能夠屏蔽宇宙射線，保護地球的大氣和水等宜居要素，形成適合生命繁衍的環(huán)境?？茖W研究表明，是地球外核中的導電流體運動產(chǎn)生了地球磁場，這套機制就像‘磁場發(fā)電機’，它持續(xù)‘供電’，使地球磁場得以長期運行?！敝袊茖W院地質(zhì)與地球物理研究所副研究員蔡書慧說，“雖然，衛(wèi)星觀測和月表實測結果都顯示，現(xiàn)今月球已經(jīng)沒有全球偶極磁場。但研究表明，月球也曾有過與地球類似的‘磁場發(fā)電機’?！?/p>
科學界此前認為，月球在42億年前至35億年前期間，存在相對活躍的磁場，強度接近現(xiàn)今地球磁場水平。磁場在約31億年前急劇下降，且此后一直處于低能量狀態(tài)。
此次研究中，研究團隊對4顆毫米級玄武巖巖屑樣品開展了磁學研究，發(fā)現(xiàn)月球磁場在約28億年前發(fā)生了反彈，明顯不同于此前學術界的相關認知。
“月球磁場發(fā)生反彈，原因可能是在約28億年前，‘月球磁場發(fā)電機’的主要能量來源發(fā)生了變化，或初始驅(qū)動機制再次增強。”蔡書慧說，團隊未來將在此基礎上對“月球磁場發(fā)電機”開展進一步研究。
隨著對嫦娥六號樣品研究的不斷深入，研究團隊還會陸續(xù)有新的發(fā)現(xiàn)。這些來自月球背面的珍貴樣品，將繼續(xù)幫助我們解開月球乃至整個宇宙演化中的更多謎題。
責任編輯：高瑋怡月球,中國科學院,李獻華
