圖①：中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所科研團(tuán)隊向超導(dǎo)磁力儀中放置月壤樣品。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所供圖

圖②：中國科學(xué)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(xué)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(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、中國科學(xué)院國家天文臺與南京大學(xué)等科研團(tuán)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(xué)術(shù)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(guān)鍵進(jìn)展。

此前，科學(xué)界對于月背的認(rèn)識主要基于遙感研究?！叭缃裎覈茖W(xué)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(rèn)知?！敝袊茖W(xué)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(xué)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(jié)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(wù)都只在月球正面進(jìn)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(jī)遇?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)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(jìn)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(yīng)“活蹦亂跳”，嫦娥六號的月壤樣品異?！皽仨槨?，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(guān)，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(guān)系到未來月球基地建設(shè)，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?/p>

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(yīng)等方面具有重要意義。

“學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)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(yīng)’極度貧水。”中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員胡森說，但近20年來，學(xué)術(shù)界一直存在月幔富水和貧水的爭議。

此次，研究團(tuán)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(yùn)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(jié)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(rèn)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(lǐng)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(wù)就是確定玄武巖巖屑的年齡和巖漿源區(qū)性質(zhì)。

研究團(tuán)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(jié)果，揭示嫦娥六號著陸點(diǎn)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(xué)院院士、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員李獻(xiàn)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Ｔf，“所以，我們現(xiàn)在懷疑，是不是有第四種我們還未知的機(jī)制在起作用?！?/p>

探秘“月球磁場發(fā)電機(jī)”——

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(xué)院研究團(tuán)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(jī)”提供了重要依據(jù)。

什么是“月球磁場發(fā)電機(jī)”？

“我們知道，地球磁場對我們至關(guān)重要，它能夠屏蔽宇宙射線，保護(hù)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(xué)研究表明，是地球外核中的導(dǎo)電流體運(yùn)動產(chǎn)生了地球磁場，這套機(jī)制就像‘磁場發(fā)電機(jī)’，它持續(xù)‘供電’，使地球磁場得以長期運(yùn)行。”中國科學(xué)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(jié)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(jī)’?！?/p>

科學(xué)界此前認(rèn)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(qiáng)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(tuán)隊對4顆毫米級玄武巖巖屑樣品開展了磁學(xué)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(xué)術(shù)界的相關(guān)認(rèn)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(jī)’的主要能量來源發(fā)生了變化，或初始驅(qū)動機(jī)制再次增強(qiáng)。”蔡書慧說，團(tuán)隊未來將在此基礎(chǔ)上對“月球磁場發(fā)電機(jī)”開展進(jìn)一步研究。

隨著對嫦娥六號樣品研究的不斷深入，研究團(tuán)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。

編輯：陸興敏