本文原發(fā)于學術(shù)雜志《科學通報》的“悅讀科學”欄目，由中國科學院國家天文臺蘇彥、李春來研究員撰寫，介紹人類歷史上對月球背面進行的第一次雷達就位探測。
月球形成于大約45億年前，那時候地球也才剛剛形成。從那時起，月球灰暗而荒涼的表面就不斷遭受隕石和小天體的撞擊，造就了現(xiàn)在這樣一個布滿碎石和撞擊坑的月球表面。然而，在月球地表之下，卻隱藏著最吸引人類探索的那些秘密。對月球內(nèi)部地層結(jié)構(gòu)，以及撞擊形成的隕石坑和濺射物進行探測，可以了解月球撞擊過程如何改造月球表面和火山活動等不為人知的歷史。
早在1972年，阿波羅17號搭載的雷達探測儀試驗首次以非常低的分辨率對月球局部區(qū)域進行了探測[1]。2007年，日本Kaguya上搭載的5 MHz雷達探測儀對全月球進行了探測，獲得了月球正面多個月海局部區(qū)域1 km以上的玄武巖厚度，次表層分辨率為百米量級[2]。受探測深度、分辨率和觀測范圍等因素的限制，這些探測器沒有獲得月球背面次表層分層的精細結(jié)構(gòu)特征，缺乏嫦娥三號和嫦娥四號具備的雷達探測能力。
2013年12月，嫦娥三號著陸在雨海北部紫薇撞擊坑的濺射毯上，首次搭載了雙通道探地雷達，其高頻觀測數(shù)據(jù)揭示了月球正面紫薇撞擊坑濺射毯深度10 m以上的結(jié)構(gòu)[3~5]。
2019年1月3日，嫦娥四號探測器在月球背面南極–艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑底部成功著陸(圖1)。玉兔二號月球車搭載的測月雷達是人類歷史上第一次對月球背面進行的雷達就位探測。2020年2月27日，我們在Science Advances發(fā)表研究論文，首次揭示了沿著玉兔二號月球車行走的106 m的路徑，月球背面著陸區(qū)地下40 m深度內(nèi)的分層結(jié)構(gòu)[6]。
嫦娥四號著陸區(qū)(a)和玉兔二號月球車
第一和第二月晝行進路線圖(b)[6]
南極–艾特肯盆地形成于前酒海紀，是月球表面最古老、最大的撞擊盆地。對南極–艾肯特盆地的研究，可以幫助我們理解大型撞擊事件是如何塑造地球及其他系內(nèi)行星的。馮·卡門撞擊坑(中心位置44.45°S，176.3°E; 直徑~186.3 km)位于SPA盆地的西北部，整體地形相對平坦，坑底被玄武巖所填充。根據(jù)撞擊坑大小–頻率分布的統(tǒng)計結(jié)果，底部玄武巖年齡大約為36億年。玄武巖表面相當一部分區(qū)域又被周邊大型撞擊坑的濺射物所覆蓋，并廣泛分布著成人字鏈狀的二次撞擊坑。
測月雷達(由中國科學院電子學研究所研制)是一種基于月球車巡視探測平臺的高分辨率月球表面穿透成像雷達，工作在60和500 MHz兩個頻段，空間分辨率分別為米級和優(yōu)于0.3 m[7]。測月雷達于2019年1月4日9點29分開始工作，在前兩個月晝中，共工作6小時28分鐘53秒。
玉兔二號月球車行進從X點到A點，為測月雷達參數(shù)在軌測試階段，從A點到LE210點為探測階段，不同的參數(shù)設(shè)置導(dǎo)致雷達圖像的不連續(xù)性，因此研究團隊使用從A點到LE210點的探測數(shù)據(jù)，通過預(yù)處理[8]、數(shù)據(jù)拼接、背景去除、帶通濾波、幅度補償和偏移處理等一系列處理，最終獲得雷達圖像(圖2)。
測月雷達高頻通道(500 MHz)雷達圖像[6]。(a) 經(jīng)過背景去除、增益調(diào)整和偏移處理后的雷達圖像; (b) 基于層析反演方法重建的雷達圖像; (c) 地層序列示意圖
基于雷達數(shù)據(jù)，研究團隊計算分析了月球淺層物質(zhì)的特性參數(shù)，包括電磁波在月表下物質(zhì)中的傳播速度、介電常數(shù)、密度、損耗角正切和鈦鐵含量等。并利用層析重建算法，反演月表下所埋尺寸大于半波長目標物的大小和分布。
嫦娥四號和嫦娥三號搭載的測月雷達指標和工作狀態(tài)完全相同。對比兩次任務(wù)，研究團隊發(fā)現(xiàn)，玉兔二號月球車攜帶的探月雷達能夠探測到月表以下40 m深的地層，其探測深度(雙向傳輸時間)是著陸到月球正面的嫦娥三號的三倍以上。結(jié)果顯示，嫦娥四號著陸區(qū)地下物質(zhì)對信號衰減更小，鈦鐵含量更低。
月球的兩種大規(guī)?；顒臃謩e是隕石撞擊和火山活動，火山活動形成的月海玄武巖覆蓋了馮·卡門撞擊坑的底部，隨后附近多次隕石撞擊事件帶來的濺射物逐漸在這里沉積。根據(jù)獲得的物性參數(shù)和雷達圖像，在深度40 m的濺射物內(nèi)部呈現(xiàn)出清晰的三層(圖3)。其中：
最表層為地下0~12 m，主要由細粒月壤組成，其中內(nèi)嵌有少量碎石。此月壤層形成于多個撞擊坑互疊的濺射物之上，這些濺射物可能來自周邊的芬森和馮·卡門L撞擊坑等。
第二層為地下12~24 m，這一層是雷達圖像上回波強度最大的區(qū)域，表明內(nèi)部存在大量的粗粒礫石，形成了碎石層和碎石堆，可能是撞擊產(chǎn)生的濺射物沉積后又發(fā)生了二次撞擊。濺射物沉積不僅僅是地毯式的鋪散，也伴隨著物質(zhì)之間的剪切、混合、挖掘和二次坑結(jié)構(gòu)擾動等復(fù)雜的地質(zhì)過程。
第三層一直延伸到地下40 m深，雷達回波明暗交替變化，表明其粒度呈現(xiàn)粗粒和細粒的交疊，是不同時期、更古老的濺射物的沉積和風化產(chǎn)物。深度超過40 m時，高頻通道雷達信號微弱，已無法推斷其物質(zhì)特性。結(jié)合月球的區(qū)域地質(zhì)歷史，在嫦娥四號著陸點附近區(qū)域，深度超過40 m的地方，分布著完整的月海玄武巖。
嫦娥四號著陸區(qū)地下淺層結(jié)構(gòu)
該如何解釋濺射物中這么多的碎石呢? 據(jù)《科學美國人》報道，美國NASA戈達德航天中心的月球科學家丹尼爾·莫里亞蒂(Daniel Moriarty，并未參與到新論文中)指出，一種解釋是，在撞擊過程中，底層的月海玄武巖很可能與其他撞擊形成的碎屑混在了一起，因此地層中的一些巨礫巖石可能就是這些玄武巖分解后形成的，而不是由附近的撞擊帶來的。另一種可能是，月幔物質(zhì)在南極–艾肯特盆地形成的那次撞擊中暴露出來，隨后又與其他碎屑混合在一起。
這項研究工作通過嫦娥四號測月雷達的直接就位測量，獲得了月球背面地下淺層的第一張雷達圖像、月表下物質(zhì)的特性參數(shù)，以及濺射物內(nèi)部地層序列，是人類首次揭開月球背面地下結(jié)構(gòu)的神秘面紗。目前，作為歷史上在月球背面工作的唯一的巡視器，玉兔二號月球車仍保持良好的狀態(tài)在行進，探測更多此前從未涉足的月球區(qū)域。我們希望它能夠觀測到更大范圍內(nèi)陸下層位以及地層中撞擊碎屑尺寸的變化，從而揭露出月球古老的撞擊歷史中的更多細節(jié)，極大地增進我們對月球隕石撞擊和火山活動歷史的了解，并為月球背面的地質(zhì)演化過程研究提供新的啟示。
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