太阳系新知 13 | 嫦娥四号为什么要在月球背面找橄榄石？

太阳系新知 | 这个节目已经播讲了 12 期，在往期节目的留言中，我注意到有些听众就提出，你怎么讲来讲去不是美国航天局的发现就是欧洲航天局的发现，怎么从来就不提我们中国呢？因为在很多人的印象中，中国现在已经是世界上除了美国和俄罗斯之外的第三航天强国，在太空探索领域，怎么也都应该有中国人的一席之地了。
这个呢，我想跟大家客观地说，我国现在确实是航天强国，这一点不用怀疑。不过，航天强国不等于同时也是科学新发现的强国，这不是因为我们中国科学家不如欧美国家的科学家聪明。而是因为，太空领域的新发现，需要时间积累。
我们成为航天强国的时间还很短，我国的科学家有机会从事最前沿的太空探索的时间也还很短。科学新发现是一个慢工出细活的领域，是一个需要长期高投入，而努力又不一定有回报的领域。你们可以回顾一下欧美国家的新视野号、卡西尼号等等计划，这些太空探索项目哪一个不是持续了 10 年以上，才有了那么一点点回报的项目。
所以，大家不要着急，要给我国的科学家时间，我们还需要一些耐心，你一定能等到我国的太空探索结出硕果的那一天。实际上，硕果的苗头已经有了，我国的太空探索项目 2019 年已经在国际上引起了很大的反响，这就是嫦娥四号的新发现。
今天，我就要把话题聚焦到中国的太空探索项目，让我们来了解一下中国为人类带来了哪些太阳系新知。
图：嫦娥 4 号
在讲嫦娥四号的新发现之前，我先给你简单介绍一下我国的嫦娥工程。
嫦娥计划就是我国的探月工程，相当于美国人当年的阿波罗计划。这个计划一共分为绕、落、回三个阶段。它的主要科学目标可分为 5 大类：
  • 月表形貌观测
  • 月壤采集返回
  • 月球资源探查
  • 月球形成与演化
  • 月基空间科学和天文学研究
其中嫦娥 1 号和嫦娥 2 号，分别发射于 2007 年和 2010 年。它们成功实现了第一阶段的绕月探测任务。对月表进行了高精度的 3 维扫描。同时使用多种遥感技术，对月球的资源储藏、地质成分、空间环境等进行了详细测绘。换句话说，嫦娥 1 号和 2 号让我国加入了月球俱乐部，我们取得了与欧美同行同台竞争的资格。
嫦娥 3 号和 4 号，分别发射于 2013 年和今年。他们实现了第二阶段的月面软着陆任务。对着陆区附近进行了更详细的研究。
接下来的嫦娥 5 号，预计于 2019 年底发射。将实现三步走的最后一步，采样返回任务。从目前得到的公开消息来看，计划进展顺利，如果不出意外，嫦娥 5 号将成为今年年底最重大的中国科技新闻，各路媒体差不多已经在摩拳擦掌了。
遥想 1978  年，美国人给中国送了一件国礼，就是质量为 1 克的月球土壤，都把我国的科学家激动坏了。你可见，从月球带回来的样本有多珍贵。
我们今天这期节目的主角是嫦娥四号。
2019 年 1 月 3 号，嫦娥 4 号成功着陆月球背面，在国内外引起热议。美国宇航局局长吉姆·布里登斯廷还专门发了条推特表示祝贺。
嫦娥四号的这次软着陆，创造了一个新的月球记录。那就是——人类第一次成功发射探测器着陆月球背面。这也是继美国和前苏联之后，世界上第三个把探测器发上月球表面的国家。
那么，嫦娥四号去月球背面做什么？
她都发现了一些什么呢？
虽然各路媒体有过很多的报道，但基本上都是同一篇新闻统稿的不同组合，有效的信息量很少。
终于， 2019 年 5 月 16 日，以中国国家天文台李春来为首的研究人员，在国际顶尖期刊《Nature》上发表了嫦娥 4 号新发现的论文，才终于让我找到了最权威的官方解答。嫦娥四号的诸多细节才首次被公众知晓。
嫦娥四号的这个新发现用一句话来说，就是：她在着陆点附近探测到了很可能是原生橄榄石的信号。
图：李春来
好像没什么感觉对吧？是的，如果对月球的地质研究历史没有一定了解的话，这句话实在是太干巴巴了，几乎没有办法引起人们感情上的波动。
这个就不像“卡西尼号在土卫二上发现了孕育生命的一切条件”，这种级别的发现，哪怕是一个完全不了解土星探索史的人，听了也难免会心头一震的。
想要对嫦娥四号的新发现有所感觉，就必须要了解与月球地质有关的基本知识。
关于月球，人们最想知道的一个谜题就是，月球到底是怎么形成的？这就是著名的月球起源之谜。你可能知道目前关于月球的起源，最主流的假说是大碰撞假说。
但是，这个假说曾经的竞争理论有哪些，它又是怎么脱颖而出的，这个知道的人就不多了。
图：地球与月球
实际上，在上个世纪，主流科学界对月球的起源提出过 4 种假说。分别是
  • 俘获说
  • 同源说
  • 分裂说
  • 撞击说
46 亿年前，在太阳系形成的早期，不同的行星在不同的区域内由星云物质汇聚而成。太阳也是这么形成的，只不过它汇聚了最多的物质，其他的所有太阳系天体都不过是形成太阳时剩下的一小撮边角料构成的。
但是，这些边角料之间的关系，却一点也不简单。
在太阳系的早期，有很多半大不小的星核，它们是今天行星的父辈。由于这些新形成的星核之间过于接近，导致引力相互干扰，小的星核就会被大的星核甩得满天飞。直到最后，星核们并合的并合，轨道迁移的迁移。最终稳定了下来，变成了今天的样子。
而月球形成的理论之所以那么多，就是因为太阳系早期的这种混乱局面。其中
  • 俘获说认为，月球和地球不是一块形成的，而是飘到地球轨道上被地球俘获的。
  • 同源说认为，月球和地球就诞生于同一个吸积盘中。
  • 分裂说则认为，由于地球早期处于熔融状态，月球是地球甩出来的。就像做荷包蛋不小心漏出来了一样。
  • 最后一个撞击说呢，认为古地球与一个火星大小的星核碰撞，抛射出来的物质形成了月球。
这 4 种理论的支持者们一直争论不休，直到 1984 年。
行星科学家们计划，这一年的十月份在夏威夷举办一场关于月球起源的会议。而早在一年半前，相关领域的科学家们就收到了会议通知。这并不奇怪，在科学界这种国际大型会议都是提前一年以上就安排好的。
只不过在这个会议通知里，有这么一段唬人的话：
你们有整整十八个月的时间，和阿波罗计划的一堆数据。赶紧埋头起来干活。如果到时候对于月球的起源你还没有自己的观点，那你就别来开会了！
这段可能俏皮成分更多的话，透露出了科学家们的可爱。但同时也确实代表了当时科学界急于解决这一关键问题的决心。
这十八个月一溜烟就过去了。在夏威夷那阳光明媚，椰林密布的度假胜地里。科学家们如约聚到了一起。经过一番激烈的唇枪舌战，终于，4 个理论中的 1 个基本胜出了，那就是撞击说。
科学家们是如何做出这个决定的呢？
实际上，科学家们主要用的是淘汰法，按照漏洞大小，逐一淘汰，剩下的那个漏洞最小的，就成了最后的赢家。
首先被淘汰的是分裂说。
它有一个致命漏洞无法解释，就是地月系统的角动量问题。如果月球是地球分裂出去的一部分，那么由于系统的角动量守恒。
今天地月系统的角动量，就必须等于古地球的角动量。这要求古地球的自转速度高到无法理解的程度。
俘获说的问题则是：远处飞来的月球被俘获后应该拥有一个非常椭圆的轨道，除非古地球周围有十分稠密的大气，不然月亮无法变成今天这样近圆的轨道。
而同源说面对的困难是月球的贫金属问题。通过估算月球的密度，科学家们很早就发现月球金属含量比较低。如果是一同诞生的两个星球，为什么月球金属含量会和地球不同呢。这似乎说不通。
就这样，大碰撞假说从 4 种假说中被剩下来了。
那么这个假说的可信度到底咋样呢？
大碰撞假说只不过是目前看上去漏洞最小的一种假说，但要证实这个假说，还需要更多的证据。
首先，科学家们迫切想搞清楚的就是月球的内部构造是怎样的。
这可就难了。首先往下挖是肯定行不通的。别说到月球了，就是在地球上，人类最深的钻孔，深度也不过 12 公里，而月球的半径是 1740 公里。
科学家们要研究月球的内部构造，唯一的神器就是阿波罗飞船带到月球上的月震仪。阿波罗计划在月球的不同地区一共安置了 5 台月震仪。
和地球上有地震一样，月球上也有月震。只不过月震的主要原因和地震完全不同。
地震的主要原因是：漂浮在地幔上的陆地版块之间相互的碰撞挤压。
但像月球这样大小的天体，由于保温能力不足，中心物质放射性衰变的热能大部分已经辐射到太空中了。也就是说，月球早就没有了版块运动。
月震的主要成因有 3 个。分别是：
  1. 地球对月球的潮汐力
  2. 太阳光照变化带来温度差异
  3. 陨石的撞击
这 5 个月震仪，除了一个提前坏了。其余的 4 个，一直工作到了 1977 年，它们总共记录下了 12558 次各种形式的月震。
震波在不同的介质中传播速度不同。分析这些收集到的数据，科学家们得以确认：
  • 月球拥有一个半径 240 公里的固态核
  • 在核的外面是很薄的一层熔融月幔，厚度大约是 100 公里
  • 再上面是一千多公里的固态月幔
  • 最外面则是厚度从几公里到几十公里不等的月壳
这种分层结构是怎么形成的呢？那是因为，在岩石行星形成的早期，都经历过完全熔融的状态，在液态物质中，就会自然而然地形成密度由小到大的分层。因此，岩石行星的内核一般都是由密度较高的金属元素组成的，再上面密度逐渐降低。
但由于元素之间会形成各种化合物，所以这个分层过程并不会把一个星球按着元素一层层分开，而是在从熔融到凝固的过程中逐步的析出密度不同的矿物晶体。
可是通过研究地震波，我们只能大致探清月球内部的结构和密度分布，却不能知道内部的化学组成都是什么。要知道，化学组成可是非常重要的。比如判断月球是否形成在地球附近，那对比地月之间的元素丰度比，同位素比就是关键证据。
所以一直以来科学家们都在试图寻找被各种原因带到月面的深层物质，月海中的物质便是这之一。
月海就是月球上那些大片的黑色区域，这些月海取的名字都非常的好听，什么风暴洋啊、静海啊、丰富海啊等。不过，在这些月海里可没有水。但它们确实曾经有过海洋，只不过是一个岩浆的海洋。
当月球刚形成几亿年时，虽然月壳已经凝固了，但整个月球远不像今天这样铁板一块，当时，在薄薄的月壳下面便是熔融的月幔。那时的陨石坠落到月球上，便有可能击穿月壳，它们在月壳上留下的陨石坑就会被从下面涌上来的月幔物质所覆盖，这便形成了月海。
图：月海
那为什么月海的颜色要比月壳黑呢？这是因为两者的物质成份不同。
最先结晶析出的月壳是由斜长岩组成的。而后来涌出的月海物质则是由玄武岩组成的。斜长岩的颜色偏亮，而玄武岩的颜色就是黑的。大家都看过岩浆的视频吧。岩浆刚冒出来的时候是橘红色的，一旦凝固了就变成黑色的了。
这些来自月壳下方的月海物质就给科学家研究月幔以启示。
阿波罗计划总共从月球带回了 382 千克的月表样本。其中就包括了月海玄武岩的样本。从这些月海玄武岩中科学家们发现了一定量的橄榄石。
好了，讲到这里，嫦娥四号本次新发现的一个关键名词总算是出来了。那橄榄石又是什么东东呢？如果我说他的另一个别名，你可能会更熟悉一点，就是祖母绿。
橄榄石这个名字的由来其实也很简单，因为它呈现出来的是一种像绿色的橄榄一样的颜色。橄榄石是半透明的，很好看，你要是拿在手里，估计你会直接叫它宝石。其实，橄榄石还有个别名就是天宝石。
在地质类的科普文章中，出现最多词的就是某某岩，某某石了。这里我们需要建立一个基本概念，在地质专业用语里，
  • 某某石指的是一种具体的矿物成分，也就是有固定化学式的晶体。
  • 而某某岩，则是比较宽泛的概念，指的是某些矿物组分在一定比例范围内的组合。比如玄武岩主要由基性长石、辉石组成，还可以含有少量的橄榄石、角闪石等等。
打个比方，某某岩就好比是说瓜、果、蔬菜等一类食物，而某某石，就好比是苹果、香蕉等具体的食物。
所以，橄榄石就是在月海玄武岩中的某一种特定的晶体结构。不过，阿波罗飞船带回来的橄榄石并不是原生的橄榄石，原生的含义就是和月幔物质同时形成的意思。
这是因为月海玄武岩在上涌的过程中会发生变化和再结晶，其中的橄榄石也就不是月幔里原生的橄榄石了。
图：阿波罗飞船带回的橄榄石
因此，想要更好地研究月壳下面月幔的物质和结构，最好能找到原生的橄榄石。那么，月球上有没有可能存在原生橄榄石呢？
有一种观点认为，原生橄榄石有可能存在于大型的陨石坑附近，为什么？因为在陨石的猛烈撞击下，月壳有可能被撞破，下面的月幔就会被带出来，从而在撞击坑附近形成一个富含橄榄石的区域。
2007 年，日本发射了月亮女神号探测器。通过遥感探测，它确实找到了这样的富橄榄石区，但是数量非常少。不过遥感的证据不是最硬，我们还需要更直接的证据。
嫦娥 4 号的着陆点在月球背面著名的南极-艾特肯盆地内。这个盆地的直径足有 2500 公里，是月球乃至整个太阳系，已知的，最大的盆地，这意味着，曾经有一次威力巨大的撞击在这里发生。所以这里的样品一直都是相关领域的科学家们梦寐以求的。但是登陆月球背面的困难却导致这个研究迟迟不能推进。
而嫦娥 4 号的着陆点——冯卡门坑，则在盆地内的西北方向，靠近月背中央位置。这一定程度上，也是为了与鹊桥中继卫星通讯顺畅的考虑。
可是，当初月亮女神号探测器并没有在冯卡门坑附近发现富橄榄石的信号。可见遥测和着陆近距离探测在精度上还是有相当的差异的。
而这个发现是玉兔 2 号巡视器做出的。大家应该记得，在嫦娥 3 号上搭载着玉兔 1 号。所以嫦娥 4 号上的就是玉兔 2 号了。
在玉兔 2 号的胸前搭载有一台红外成像光谱仪。通过这个神器，在着陆后的第一个月昼里，玉兔二号在 15、16 两处探测点发现了低钙辉石和大量橄榄石的信号。而冯卡门坑是被月海玄武岩所覆盖的，按理说，月海玄武岩中是以高钙辉石为主。
为什么在冯卡门坑的中心，居然会探测到如此非同寻常的信号呢？
国家天文台的研究人员，结合着陆区的高分辨遥感数据得出结论：月球车实际上位于月海玄武岩“平原”的撞击溅射物上。也就是说在冯卡门坑的月海玄武岩之上，还有一层溅射物质。分析溅射物的方向，他们判断溅射物来自紧挨着冯卡门坑的芬森撞击坑。
为什么溅射物不是来自更远的地方呢？
因为月球上没有流动的水和大气，所以不能靠风化形成土壤。这些月壤其实全都是陨石撞击抛射出来的微小碎屑落下堆积成的。通过研究阿波罗计划收集到的样本和数据，科学家们得出结论：只有约 5% 的月壤是从所在地一百公里以外飞来的，所以它们一般都来自非常临近的撞击坑。
既然物质是溅射出来的，物质成分又和月海玄武岩截然不同。那么研究人员就得出结论。

玉兔二号发现的，便是科学家们一直以来想要找的，月幔原生橄榄石！

这可是目前为止，人类关于月幔物质成份最直接的证据。
虽然找到了月幔中的原生橄榄石，离我们要真正解开的月球起源之谜还有一定的距离。但是这个发现绝对能够载入月球起源演化的科学史里。也绝对算得上嫦娥计划所有科学产出中，浓墨重彩的一笔。它为我们下一步继续研究月幔物质和月球起源之谜都指明了路径。
本期节目到这里就要结束了。我想，看完了这期节目，你再关注年底嫦娥五号的发射，一定会有不一样的感觉了。嫦娥五号的目标是要把月球上的物质带回中国，不出意外的话，她要带回的物质就应该是嫦娥四号发现的这些橄榄石。一切都顺利的话，我想明年这个时候，我就又能做一期介绍嫦娥五号的重量级发现的节目了，或许就是对人类认识月球有里程碑意义的科学新发现。
让我们一起拭目以待吧。

真的看完了？点了才算数

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