月球为何会有“两副面孔”？揭秘月球背面

原标题：揭秘月球背面（新知）

图①：中国科学院地质与地球物理研究所科研团队向超导磁力仪中放置月壤样品。中国科学院地质与地球物理研究所供图

图②：中国科学院国家天文台科研人员查看岩屑显微镜成像照片。中国科学院国家天文台供图

从地球上观测，我们看到的月球正面，有着广阔的月海和众多环形山，而月球的背面，却因潮汐锁定始终背对着我们，充满了神秘色彩。

如今，月球背面的神秘面纱正逐步被揭开。

前不久，中国科学院地质与地球物理研究所、中国科学院国家天文台与南京大学等科研团队，利用嫦娥六号采回的月球背面样品取得了4项最新研究成果，以封面文章形式发表于国际学术期刊《自然》杂志。

这4项研究分别揭示了月背岩浆活动、月球古磁场、月幔水含量及月幔演化特征，首次为人类揭开了月球背面的演化历史，取得多个“首创性”的关键进展。

此前，科学界对于月背的认识主要基于遥感研究。“如今我国科学家从嫦娥六号月球样品中获得的一系列重要发现，正不断颠覆和刷新人类对月球的认知。”中国科学院院士王赤说。

月球的“两副面孔”——

正面和背面差异巨大

月球的正面和背面差异巨大，正面相对平坦，有广阔的玄武岩平原；背面则高地遍布，月海稀少，月壳也更厚。

月球为何会有“两副面孔”？

此前，科学家提出了很多理论来解释月球的这种“二分性”特征，包括月球形成早期岩浆洋冷却结晶不均匀、月幔内部物质对流不对称等。

然而，过去所有的月球采样任务都只在月球正面进行，月球背面样本的缺失使得背面深部月幔特征一直是未解之谜。

2024年6月，嫦娥六号携带人类首份月背样品返回地球。

“这些样品采集于月球上最大、最古老的撞击遗迹——南极—艾特肯盆地，为厘清月球正面和背面物质组成的差异、破解月球‘二分性’之谜提供了难得的机遇。”中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员吴福元说。

嫦娥五号从月球正面带回的样品和嫦娥六号样品，仅从外观看就有天壤之别。

吴福元进一步举例：“五号样品颜色深黑，几乎是纯粹的玄武岩；而六号样品颜色发浅、泛白，因为其中包含了大量由白色斜长岩组成的高地物质。”

不同于嫦娥五号月壤样品因静电效应“活蹦乱跳”，嫦娥六号的月壤样品异常“温顺”，没有明显的静电现象。如果说嫦娥五号的月壤像干沙子一堆就塌，那么嫦娥六号的月壤则可以堆得很高，甚至形成直立的陡坡而不垮塌。

研究人员推测这可能与颗粒形状、矿物间的吸附力有关，但具体原因仍在探索中。这不仅是一个有趣的物理谜题，更直接关系到未来月球基地建设，比如如何用月壤制造“月球砖”。

月幔究竟富水还是贫水——

月球背面月幔非常“干”

月幔处于月壳与月核之间，位于月球表面以下约60千米至1000千米处。月幔水含量在揭示月球起源、岩浆活动、资源环境效应等方面具有重要意义。

“学术界普遍认为，约45亿年前，一颗火星大小的天体撞击原始地球，抛射出的物质经过重新吸积形成了月球。由于撞击过程伴随着极高的温度，月球‘理应’极度贫水。”中国科学院地质与地球物理研究所研究员胡森说，但近20年来，学术界一直存在月幔富水和贫水的争议。

此次，研究团队选取了嫦娥六号月球样品中的玄武岩岩屑开展月幔源区水含量研究。

胡森说：“月球演化过程中，一部分月幔岩石通过熔融形成熔体，部分熔体被运移到月表形成玄武岩。因此，利用这些玄武岩，我们可以探究月幔的奥秘。”

研究结果显示，嫦娥六号玄武岩的月幔源区极度贫水——水含量仅为1微克/克至1.5微克/克，是已报道数据中的最低值，比月球正面月幔更“干”。研究人员猜测，原因可能是发生在艾特肯盆地的撞击事件改造了月幔源区的水。

《自然》审稿人认为，此项研究首次测得月球背面月幔的水含量，具有高度的原创性，是该研究领域中一项意义重大的发现。

“烧干”后的谜题——

极度贫水，岩浆从何而来

月海玄武岩由月幔发生部分熔融产生的岩浆上升喷发至月表形成，是探索月球内部物质组成和热演化的重要窗口。因此，嫦娥六号返回样品研究的首要任务就是确定玄武岩岩屑的年龄和岩浆源区性质。

研究团队根据5克月壤中分选出大于300微米的108颗玄武岩岩屑定年研究的结果，揭示嫦娥六号着陆点28亿年前存在火山活动，且岩浆来自亏损克里普物质（富集钾、稀土和磷等元素的物质）的源区。

中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员李献华说：“其中一颗高铝玄武岩岩屑揭示42亿年前存在来自富集克里普物质源区的火山活动。这表明月背岩浆活动42亿年前就存在，至少持续了14亿年。”

那么，问题来了。

42.5亿年前的巨大撞击，将月球背面的这个区域“烧”得“超干”“超亏损”，几乎不含水和易熔物质。在如此苛刻的条件下，岩浆是如何产生的？

“升温、减压或放射性元素衰变产生热量积累，这3个因素是可能促使岩浆产生的条件。但月球上都不具备，因为我们在研究嫦娥五号和嫦娥六号的样品时发现，其源区并没有富集这类元素的证据。”吴福元说，“所以，我们现在怀疑，是不是有第四种我们还未知的机制在起作用。”

探秘“月球磁场发电机”——

获取人类首份月球背面古磁场信息

利用嫦娥六号月球样品，中国科学院研究团队分析了约28亿年前的月球背面磁场信息，为研究月球磁场演化、探秘“月球磁场发电机”提供了重要依据。

什么是“月球磁场发电机”？

“我们知道，地球磁场对我们至关重要，它能够屏蔽宇宙射线，保护地球的大气和水等宜居要素，形成适合生命繁衍的环境。科学研究表明，是地球外核中的导电流体运动产生了地球磁场，这套机制就像‘磁场发电机’，它持续‘供电’，使地球磁场得以长期运行。”中国科学院地质与地球物理研究所副研究员蔡书慧说，“虽然，卫星观测和月表实测结果都显示，现今月球已经没有全球偶极磁场。但研究表明，月球也曾有过与地球类似的‘磁场发电机’。”

科学界此前认为，月球在42亿年前至35亿年前期间，存在相对活跃的磁场，强度接近现今地球磁场水平。磁场在约31亿年前急剧下降，且此后一直处于低能量状态。

此次研究中，研究团队对4颗毫米级玄武岩岩屑样品开展了磁学研究，发现月球磁场在约28亿年前发生了反弹，明显不同于此前学术界的相关认知。

“月球磁场发生反弹，原因可能是在约28亿年前，‘月球磁场发电机’的主要能量来源发生了变化，或初始驱动机制再次增强。”蔡书慧说，团队未来将在此基础上对“月球磁场发电机”开展进一步研究。

随着对嫦娥六号样品研究的不断深入，研究团队还会陆续有新的发现。这些来自月球背面的珍贵样品，将继续帮助我们解开月球乃至整个宇宙演化中的更多谜题。