6月25日拍摄的嫦娥六号返回器回收现场。新华社记者 金立旺 摄
导读：
2024 年 6 月 25 日 ，嫦娥六号 成功 在内蒙古四子王旗预定区域着陆， 身上背着刚刚从月球背面 的南极 - 艾特肯盆地内的阿波罗陨石坑 采集到的月壤样本。
这是人类首次在月球背面成功采集样本，将有助于回答 南极 — 艾特肯 盆地的年龄 、地质信息， 月幔的主要矿物成分 等科学问题。
李晨睿 | 撰文
陈晓雪 | 责编
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六大科学问题即将被揭开
在嫦娥六号回来前，中国科学院地质与地球物理研究所研究员岳宗玉等人就已经对嫦娥六号着陆区地质背景进行了深入分析，并为样本回归后的相关研究做了一系列预热工作[1]。
具体来说，他们认为嫦娥六号此次挖回的月壤有望解决的重要问题包括：
1.南极—艾特肯盆地的年龄。南极—艾特肯盆地（SPA）是月球上最大、最古老的撞击坑之一。通过实验室的高精度定年技术，如同位素定年法等，我们能够追溯这一古老地貌的形成时间，为月球的历史提供关键的时间标记。
2.阿波罗陨石坑的年龄。同样，通过精确测定南极—艾特肯和阿波罗陨石坑的年龄，我们将构建更为详尽的月球地质年表；
3.月幔的主要矿物成分。南极—艾特肯盆地的形成过程暴露了月幔物质，但由于没有观测到大规模的橄榄石（这是地幔的主要组成成分），一些研究推测月幔的主要成分是低钙辉石，对样本随后的化学分析将有助于揭开这一谜团。通过比较月幔与地幔的成分，我们也许能够验证关于月球起源的一个流行假说——即月球是由一个名为忒伊亚的古代行星与早期地球发生巨大碰撞后形成的[2]。
4.月球撞击通量函数。这是一个描述月球表面撞击坑形成速率与时间、撞击体大小之间关系的数学模型，能够帮助科学家量化月球表面的撞击事件。嫦娥六号带回了现今为止唯一来自月背（the far side）的样本，将更准确地统计月球背面的撞击坑数量和大小，更精确地确定撞击事件的时间等，从而进一步优化现存模型并为研究太阳系早期的撞击事件与轨道演化提供重要信息[3]。
5.南极—艾特肯盆地内部的火山喷发。目前的研究表明，南极—艾特肯盆地内部的月壳厚度较薄，但并未发现大规模的玄武岩裸露。对嫦娥六号样品的地质化学研究，特别是与月球正面（the near side）玄武岩化学成分的比较，将有助于解决这一问题。
6.月球研究中最基础的科学问题：月球的不对称性。目前还没有统一的理论能够完全解释这一现象，科学家们的研究给出了一系列可能导致月球不对称的解释：
1)月球正面拥有浓度更高的产热元素，这些热量可能导致了月球正面地壳的减薄，使得玄武岩熔岩更容易上涌并形成月海。
2)可能源自一次古老的撞击事件（该碰撞也源于忒伊亚碰撞），这次撞击在月球背面形成了一个增生的半球堆，从而造就了背面高地的地形特征。
3)月背密布的陨石坑被解释为与月球熔岩流的活动有关[4]，月球形成初期来自地球的热量辐射使月球正面月壳物质凝结较慢，而较冷的背面更快地完成了月壳物质的凝结，因此背面形成了较厚的月壳而正面较薄。正面的流星体撞击会穿透较薄的月壳，释放出形成月海的玄武岩熔岩，但在背面的撞击却很少能够触发深层熔岩的流动，使得撞击坑得以保留。
嫦娥六号采集的样本将帮助科学家进一步进行月壤的结构分析，揭示月球背面与正面地质结构上的差异。
这些预期成果将深化我们对月球早期历史、内部结构、撞击过程和火山活动等一系列问题的理解。
岳宗玉表示：“我最希望的是嫦娥六号带回的样品中含有一些来自阿波罗撞击坑和南极—艾肯盆地的撞击熔融物 （较小天体撞击月球时产生的碎片） ，这可以为研究月球早期撞击通量提供关键线索。一旦获得这些信息，不仅有助于阐明早期陨石撞击在月球形成中的作用，而且对分析太阳系内部早期撞击历史具有重要意义。”
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神秘未知的月球背面
月亮在人类文化中被塑造为不同神话形象，从古希腊神话中的塞勒涅到中国传说中的嫦娥，月亮一直是人类情感与想象的载体。在科学领域，月球作为地球唯一的自然卫星，自古以来就是天文学家研究的对象。
然而，直到20世纪，人类对月球的认识还非常有限，月球背面更是充满了未知，可谓是“最熟悉的陌生人”。
1968年12月，在阿波罗8号任务中，人类首次直接看到了月球背面。宇航员威廉·安德斯描述了他的视角[5]：
“背面看起来像是我的孩子们玩了一段时间的沙堆。这一切都是一团糟，毫无章法可言，只是有很多凹凸和洞孔。”
与正面相比，月球背面看起来崎岖不平，这里几乎没有宽阔的月海，而是布满了密集的撞击坑。一系列基于轨道探测器的研究发现了月球两侧存在显著差异，月球背面的地壳更厚，岩浆活动较少，成分也有所不同。
图1：左边为月球背面，充满了大大小小凹凸不平的陨石坑；右边为月球正面，很大一部分面积被深色的月海覆盖。图源：https://www.greenconut.com/trivia/back-side-of-moon_0914/
1969年，美国的阿波罗11号任务实现了人类历史上首次月球正面着陆，尼尔·阿姆斯特朗成为第一个踏上月球表面的人。此后，由六艘阿波罗飞船、三艘月球飞船和嫦娥五号任务返回的样品均来自月球正面。
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直奔月球背面——中国的壮举
人类首次在月球背面着陆（嫦娥四号）与首次采样（嫦娥六号），是由中国在21世纪仅仅用了5年就完成的壮举。
2019年1月3日，嫦娥四号探测器在月球背面南极-艾特肯（SPA）盆地的冯卡尔曼环形山着陆，开启了人类对这片未知领域的探索。
由于潮汐锁定[6]，月球的正面始终朝向我们并且易于观测与通信，而背面我们不仅看不到，还会使得在探测器登陆月背时失去与地球的通讯，因此在嫦娥四号月背着陆之前，中国研究团队先发射了一颗月背通讯卫星“鹊桥”。
南极—艾特肯盆地（SPA，直径约2500公里，深13公里，最大落差16.1公里）是月球表面最大、最深、最古老的撞击盆地，甚至是太阳系中已知最大的撞击坑之一。由于其规模巨大和独特的地质特征，被认为是研究月球早期撞击历史、内部结构及地质演化的重要窗口。其成因来自于约42亿年到43亿年前的一次巨大撞击[3]。观测显示该盆地存在一个富含钙铁的辉石中心成分异常区（SPA compositional anomaly ，SPACA），这与模拟显示该盆地有大量来自月幔的熔融物质结果一致[4]。
图2：嫦娥六号着陆点的位置。绿色多边形代表 SPACA（南极—艾特肯盆地中心成分异常区），富钙、铁辉石的丰度较高，这与SPA形成过程中的连续熔融物质（黄色虚线）基本吻合。蓝线代表富镁辉石区域的外部边界。[1]
南极—艾特肯盆地内坐落了众多年轻的陨石坑，嫦娥六号的着陆点位于其最大的陨石坑——阿波罗陨石坑内，恰好处在钙铁辉石环向镁辉石区转化处，因此着陆点下方物质源区的成分可能非常复杂，一次采样能同时带回早期月幔与早期月壳物质。
图3：嫦娥六号着陆点位于南极—艾特肯盆地东北，阿波罗陨石坑南侧[1]
视野拉近，在阿波罗陨石坑内同样存在许多小陨石坑，持续撞击构成了复杂的地质环境和不同的地质单元，这些地质单元的物质都有可能在撞击中被溅射到嫦娥六号的采样点处。
图4：阿波罗陨石坑内不同的地质单元[1]
作为嫦娥五号的备份，嫦娥六号具备基本相同的系统组成：轨道器、返回器、上升器和着陆器，其中着陆器-上升器组合使用钻头和机械臂通过钻取和表取两种采样方式，获得不同层面和深度的样品，采集了约 2千克的样本，最终由上升器将样本送回地球。
在嫦娥六号将样品带回之前，研究人员对于着陆点的上述地质背景，撞击历史与样本来源的提前分析，为实验室分析提供了宝贵的前期信息，帮助科学家构建了月壤样本性质和成分的初步假设。
“已有的月球样品采集任务都集中在月球正面，嫦娥六号采回的样品是人类历史上首次获取的月球背面月球样品，将再一次填补月球样品的空白，对丰富人类月球起源和演化认知、更好地了解地球具有重要的科学价值”。嫦娥六号地面应用系统总师、中国科学院国家天文台研究员左维表示[7]。
嫦娥六号任务的成功不仅标志着中国航天探索的又一里程碑，也为全球科学家提供了研究月球的新窗口。期待满载归来的嫦娥六号能再一次刷新我们对月球的理解。
参考文献：（上下滑动可浏览）
[1] Zongyu Yue, Sheng Gou, Shujuan Sun, Wei Yang, Yi Chen, Yexin Wang, Honglei Lin, Kaichang Di, Yangting Lin, Xianhua Li, Fuyuan Wu, Geological context of Chang’e-6 landing area and implications for sample analysis, The Innovation, 2024, 100663, ISSN 2666-6758, https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100663.
[2] M. Jutzi; E. Asphaug. Forming the lunar farside highlands by accretion of a companion moon. Nature. 2011, 476 (7358): 69–72. doi:10.1038/nature10289
[3] 邸凯昌,肖智勇,林杨挺,岳宗玉, (2022). 月球南极—艾特肯盆地的形成与早期撞击历史,中国科学基金.https://www.nsfc.gov.cn/csc/20345/20348/pdf/2022/202206-880-887.pdf
[4]Messer, A'ndrea Elyse. 55-year-old dark side of the moon mystery solved. Penn State University. 9 June 2014
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Far_side_of_the_Moon
[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_locking
[7]https://m.chinanews.com/wap/detail/chs/zw/10227687.shtml
作者简介：
李 晨睿 ， 天体物理 专业研究生，研究方向为星际磁场 ， 恒星形成。
本文转载自《赛先生 》微信公众号
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