月球背面地下藏着什麼？玉兔二號探測結果來了_風聞

月亮的表面下面究竟有什麼？這是人類長久以來的疑問。2019年1月3日，中國嫦娥四號月球探測器成功着陸於月球南極–艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑底部，開啓人類首次月球背面軟着陸和巡視探測。嫦娥四號玉兔二號月球車攜帶的測月雷達對月表地下的“透視”為解開這一秘密提供了直接證據。

中國科學院國家天文台李春來、蘇彥研究員領導的科研團隊，利用嫦娥四號玉兔二號月球車上搭載的測月雷達就位探測數據，首次揭示了月球背面着陸區域地下40米深度內的地質分層結構，發現地下物質由低損耗的月壤物質和大小不同的大量石塊組成，並闡述了其作用與演化機制。該項成果是我國月球與行星探測領域的又一重大發現，研究成果深化了對月球撞擊和火山活動歷史的理解，併為月球背面的地質演化研究帶來新的啓示。

國際科學期刊《科學進展》（Science Advances）於北京時間2月27日凌晨在線發表了該研究成果。

圖1：研究論文在《Science Advances》期刊在線發表

眾所周知，嫦娥四號探測器於北京時間2019年1月3日在月球背面最古老且最大的南極–艾特肯（South Pole–Aitken）盆地內的馮·卡門（Von Kármán）撞擊坑底部成功着陸。已有的研究結果表明，馮·卡門撞擊坑形成於前酒海紀，中心位置為44.45°S, 176.3°E，直徑約為186千米。坑內地形相對平坦，坑底被玄武岩填充，玄武岩表面相當一部分區域被周邊大型撞擊坑的濺射物所覆蓋，並廣泛分佈着二次撞擊坑，如圖2所示。但是月表尤其是月球背面的地下結構是什麼樣的、由什麼物質組成尚不清楚。

圖2：嫦娥四號着陸區影像圖（黃色線條和箭頭標識了典型的濺射物覆蓋區域，綠色箭頭標識了典型的二次撞擊坑分佈區域）

製圖：曾興國

月球表面乾燥有利於電磁波的穿透，玉兔二號月球車上攜帶的測月雷達好比是一台給月球做CT的設備，通過電磁波對月球淺層地質結構進行探測，能將所到之處月球表面下的月壤厚度及淺層地質結構等信息窺視得一清二楚。嫦娥四號測月雷達完全繼承了嫦娥三號測月雷達技術狀態，同樣由發射機、天線、電控箱（含接收機、控制器）等幾部分組成，包含低頻和高頻兩個通道，兩通道的天線均為收發分置形式。第一通道（低頻）發射天線和接收天線安裝於月球車後部的頂板下側，第二通道（高頻）天線安裝於月球車底部的底板下側（見圖3）。

論文第一作者李春來研究員指出：“和嫦娥三號相比，嫦娥四號測月雷達高頻通道的穿透深度是嫦娥三號的三倍多。”

圖3：測月雷達在玉兔二號月球車上的安裝位置示意圖

製圖：高興燁

測月雷達的探測伴隨玉兔二號月球車的移動而進行。當月球車移動時，測月雷達通過發射天線往月面下發射脈衝電磁波信號，電磁波信號在月壤或月岩中遇到分層等介電常數不連續的目標時會發生後向反射和散射，形成回波，被接收天線接收。科學家對接收到的回波信號進行處理，就可獲得一幅地下目標的剖面圖像。獲得的剖面圖像的縱座標為電磁波的回波時間，橫座標為巡視器的位置或移動距離，如圖4所示。電磁波的傳播速度確定後，探測深度就可由傳播時間計算出來。

圖4：（a）測月雷達隨月球車行走探測月表地下淺層結構示意圖（b）測月雷達高頻通道（500MHz）經過背景去除、增益調整和偏移處理後的雷達圖像 (Li et al., Sci. Adv. 2020)

嫦娥四號測月雷達在北京時間2019年1月4日9點29分35秒開機工作，本論文研究工作基於測月雷達在第一和第二前兩個月晝獲取的500 MHz高頻通道探測數據開展，期間玉兔二號月球車沿巡視路徑共計行走了106米（圖5）。

圖5：(a)嫦娥四號着陸區影像圖 (b)玉兔二號月球車第一和第二月晝行進路線圖 (Li et al., Sci. Adv. 2020)

論文通訊作者蘇彥研究員介紹，研究團組計算分析了月球淺層物質的特性參數，包括電磁波在月表下物質中的傳播速度、介電常數、密度、損耗角正切和鈦鐵含量等。根據獲得的物性參數和雷達圖像（圖6），沿着月球車行走的路徑，在深度40米的範圍內，識別出了三個不同次表層地層單元，如圖7所示。

圖6：測月雷達高頻通道（500MHz）基於層析反演方法重建的雷達圖像 (Li et al., Sci. Adv. 2020)

圖7：嫦娥四號着陸區地下分層結構示意圖

製圖：高興燁

**第一單元：**從月球表面到地下12米，該地層為細粒月壤、內嵌有少量石塊，是由多個撞擊坑互疊的濺射物風化而成。

**第二單元：**從地下12米到24米，該層是雷達圖像上回波強度最大的區域，表明內部存在大量的石塊，甚至形成了碎石層和碎石堆，夾雜在細粒月壤之中。

**第三單元：**從地下24米到40米，該層雷達回波明暗交替變化，為不同時期、更古老的濺射物的沉積和風化產物。

深度40米以下雷達回波信號微弱，已無法推斷其物質特性。

論文第一作者李春來研究員解釋説:“第一單元地層的濺射物可能主要來自周邊的芬森（Finsen）和馮·卡門（Von

Kármán）L撞擊坑等；第二單元地層物質顯現出其濺射物的沉積不僅僅是地毯式的鋪散，也會伴隨着物質之間的剪切、混合、挖掘以及二次撞擊的擾動等複雜的地質過程。結合區域地質歷史，推測在嫦娥四號着陸點附近，完整的月海玄武岩覆蓋在月表以下大於40米的深度。”

這項研究通過嫦娥四號測月雷達的就位探測數據，獲得了月球背面地下淺層的第一張雷達圖像、月表下物質的特性參數，以及濺射物內部地層序列，首次揭開了月球背面地下結構的神秘面紗。研究成果對於瞭解撞擊過程對月表的改造、火山活動規模與歷史等具有非常重要的意義。

截至2020年2月1日，玉兔二號月球車已完成了第十四個月晝的科學探測工作，累計行走了367.3米，目前正在開展第十五個月晝的科學探測。本項研究所用的嫦娥四號測月雷達就位探測數據已在探月工程數據發佈網站(http://moon.bao.ac.cn)上發佈（圖8）。該項工作也是繼論文所署第一單位中國科學院月球與深空探測重點實驗室應用嫦娥四號探測數據分別在Nature、Nature Geoscience、Nature Communications等學術期刊上發表論文後取得的又一重要研究成果。

圖8：探月工程數據發佈網站登陸界面

中國科學院月球與深空探測重點實驗室（Key Laboratory of Lunar and Deep Space Exploration，CAS）是由中國科學院國家天文台在2011年創建，於2013年4月批准為院重點實驗室。

實驗室定位於月球與行星探測的理論、技術、數據處理與應用相關的基礎研究和應用基礎研究，培養和造就深空探測領域的科學和技術的創新型人才隊伍。實驗室現有包括研究員、副研究員、專職科研人員、博士後、研究生、實驗室助理等人員共計70餘人。實驗室近來來承擔的任務主要集中於月球、火星和小行星等行星探測國家重大專項，同時開展高層次具有戰略意義的重大國際合作項目。實驗室在國內外學術期刊發表論文近400篇、出版專著20餘部、獲得發明專利（已授權）46項、國家標準（已發佈實施）17項，並多次獲得國家科學技術進步特等獎、一等獎和三等獎等國家級科技獎勵。