嫦娥二号探宝神器：γ射线谱仪

2010年10月1日18时59分57秒，嫦娥二号卫星成功发射。在约为200千米的绕月轨道高度运行8个月，完成了一系列工程与科学目标，获得了分辨率优于10米月球表面三维影像、月球物质成分分布图等资料之后，嫦娥二号进入日地拉格朗日L2点环绕轨道进行深空探测等试验，并飞越图塔蒂斯小行星，成功开展了再拓展试验。最终，在燃料耗尽后，嫦娥二号成为一颗环绕太阳轨道的人造小天体。本文回顾嫦娥二号的探宝神器——伽马射线谱仪，以及月表物质成分分布的探测。

月球表面的伽马射线

月球表面一些元素（如钍、铀、钾等）本身就有放射性，发出伽马射线；另外一些元素（如硅、镁、铝等）在宇宙线轰击下会发出伽马射线。但无论成因为何，每种元素发出的伽马射线均不相同，探测到某一元素的特征能量伽马射线，就可以证明这种元素的存在。而这种特征能量的伽马射线出现的几率越高，该元素的相对含量也越高。通过统计特征能量的伽马射线出现的几率，就可以探测元素的相对含量。利用这种方法，就可以探测到月球上的一些主要元素，如氧、硅、镁、铝、钙、铁、钛、钠、钾、钍、铀及稀土元素等的含量与分布特征。

“嫦娥”之前

过去，美国阿波罗登月任务从月球表面的6个地方采回样品。为了更全面地了解全月面化学组成，需要可以进行飞越测量的探测器，而伽马射线谱仪正是远程测量行星表面化学元素分布的强有力的工具，已经被多项太空探测任务所验证。美国早在阿波罗登月计划及“月球勘探者号”(Lunar Prospector，简称LP)的探月任务中都搭载不同的伽马射线谱仪实现了绕月探测，测量月表成分与分布。

1971年和1972年的阿波罗15/16号搭载的伽马射线谱仪对月表的大约20%进行了探测，开辟了利用伽马射线谱仪对行星表面物质成分探测的时代。1998年的LP任务伽马射线谱仪则实现了全月面探测。之后，中国、日本、欧洲空间局、印度等国也纷纷开展了探月计划，并且都实现了绕月伽马射线能谱测量。

“嫦娥”的伽马射线仪

我国嫦娥一号和嫦娥二号卫星都搭载了伽马射线谱仪，并实现了全月面元素分布的测量。中国科学院紫金山天文台承担了伽马射线谱仪的研制和部分数据分析工作。

嫦娥二号伽马射线谱仪外观 | 图源：紫金山天文台

〇 工作原理

伽马射线谱仪工作能段是300keV～9MeV，由探测晶体、信号采集和放大电路、指令控制和数据传输电路等主要部分组成。探测晶体有包括主探测器晶体和包裹在外的反符合探测器晶体。嫦娥一号伽马射线谱仪采用碘化铯（CsI）闪烁体探测器，而嫦娥二号伽马射线谱仪在世界上首次采用先进的溴化澜(LaBr3)闪烁晶体作为主探测器，碘化铯作为反符合晶体成功抑制空间及卫星本底。

嫦娥二号伽马射线谱仪内部结构示意

来自月球方向的伽马射线进入探测器主晶体，产生荧光，经过多次反射后进入光电倍增管转化为电信号。而来自其他方向，包括卫星本身的材料被高能粒子激发所产生的荧光，将会被反符合晶体接收，并经过电子学线路处理后予以剔除。这样，伽马射线谱仪就得到纯粹来自月球表面物质的伽马射线信息。

嫦娥二号伽马射线谱仪的能量分辨和探测效率都显著高于嫦娥一号伽马射线谱仪，灵敏度远高于世界同类探测器，能敏感地区分月球表面元素的细微差别。

〇 科学使命

获取全月表主要元素的丰度与分布，分析各元素和物质类型的富集区域和分布特点等，进而深入研究月球地质历史，并为月球的开发利用提供有关的资源分布数据。

研究成果举例

从嫦娥二号伽马射线谱仪的全月面178天的累积谱中可以识别月面主要元素的信息，包括钾-K、硅-Si、钍-Th、氧-O、钙-Ca、钛-Ti、铁-Fe、铝-Al、镁-Mg等9种元素，其中放射性元素K、Th等和Fe元素的特征分布明显。

嫦娥二号伽马射线谱仪累积178天观测的全月面元素信息 | 图源：1

嫦娥二号伽马射线谱仪的其中一项研究成果是通过月海周围放射性元素的观测推断相关撞击事件的性质。

月海是指月球上比周围低洼的平原。迄今已知的月海有22个，绝大多数月海分布在月球的正面，背面仅有3个。目前普遍认为小天体撞击月球，月壳被撞破，月幔流出，玄武岩岩浆覆盖了洼地，形成了月海。

嫦娥一号拍摄的月球全图 | 图源：网络

危海和东海是月球上两个较大（直径数百公里）且较为年轻（三、四十亿年）的多环月海，前者在月球正面，后者在背面。

嫦娥二号伽马射线谱仪探测到的钾元素全月面分布图 | 图源：1

嫦娥二号伽马射线谱仪探测到的月球东海（左）和危海（右）钾元素分布图 | 图源：1

目前国际上对于月球东海和危海盆地形成时的撞击深度存在较大的争议。以危海盆地为例，早期的研究认为危海撞击事件仅仅到达上月壳。但日本“月亮女神Kaguya”在危海盆地边缘发现一些区域富含橄榄石，暗示危海撞击事件可能击穿了月壳，导致月幔物质流出。

嫦娥二号伽马射线谱仪对月球东海和危海盆地及其周围溅射物放射性元素含量观测表明，导致这两个盆地形成的撞击深度到达了下月壳，月球深层的物质被挖掘出来。

研究首次发现危海和东海盆地内平地的钾含量明显高于盆地边缘，但总体丰度不高。这说明，危海盆地在形成时撞击事件穿透克里普岩层（KREEP，是一种含有钾-K、稀土元素-REE、磷-P的矿物，KREEP岩层是月壳与月幔之间的过渡层，包含了月球形成时的岩浆海洋留下的化学线索）的可能性较小。根据月球岩浆洋模型及钾元素丰度的分析，推断危海撞击事件可能仅仅撞击到月壳的侵入岩层，而东海盆地形成时的撞击事件则可能穿透到下月壳的放射性元素富集区。

基于伽马射线谱仪观测，关于月球表面大型撞击坑的类似研究，对理解月球岩浆洋的形成和撞击事件的穿透深度等至关重要。

主编：毛瑞青

撰文：暗物质与空间天文实验室

编辑：王科超、高娜