除了特別擅長賣萌以外，月球車玉兔在月面上到底展開了哪些科學(xué)探測，又讓我們獲得了哪些關(guān)于月球的新認識？就讓最近在《美國國家科學(xué)院院刊》上發(fā)表論文公布最新成果的3位科學(xué)家，來給我們講一講月球車玉兔交出的這份成績單吧！
自嫦娥三號在月球上成功著陸以來，月球車玉兔一直吸引著眾人關(guān)注的目光。這倒一點兒都不出人意料，畢竟除了特別擅長賣萌以外，月球車玉兔還是近40年來，在月球這片天外大地上踏足的唯一巡視探測器。
事實上，嫦娥三號于2013年12月14日在月球雨海東北部成功實施的軟著陸，是上世紀六七十年代阿波羅成功登月之后的40余年里，人類探測器實現(xiàn)的唯一一次月球軟著陸。這也使得我國成為繼美國和蘇聯(lián)之后，世界上第3個獨立實施月球軟著陸的國家。
嫦娥三號完成了我國探月工程“繞”、“落”、“回”三個階段的第二步，但這些階段畢竟只是工程目標——它是過程，而不是最終目的。嫦娥工程的最終目的，是要服務(wù)于國家的戰(zhàn)略需求，對月球進行實地科學(xué)勘測。
現(xiàn)在，是時候來看看，月球車玉兔在月面上都干了哪些正經(jīng)事，又交出了怎樣一份成績單了。
要了解月球車玉兔的科學(xué)任務(wù)，先得從一個最基本的問題說起，那就是——玉兔號為什么要去探測月球雨海的東北部？
嫦娥三號的著陸位置受到很多客觀因素的制約，并不是想去哪里就可以去哪里的。首先，由于月球總是以一面對著地球，所以為了保證與月球車的實時通訊，著陸點最起碼不能位于月球背面；其次，為了避免重復(fù)性工作，嫦娥三號要盡可能遠離先前阿波羅計劃已經(jīng)去探測過的著陸點；此外，還要選擇地形比較平坦的區(qū)域，以保證軟著陸的安全和月球車的行駛。
在考慮完所有的客觀制約因素后，接下來，玉兔號才能夠主觀選擇“自己想做點啥”。探月工程師費了多少心血才讓玉兔獲得在月球上“到此一游”的資格，自然得朝著科學(xué)意義最大的地方去了。月球的關(guān)鍵科學(xué)問題包括如下幾個：1、月球的成因（大撞擊假說）；2、巖漿洋的演化和月殼的形成；3、月海盆地的形成和玄武巖的噴發(fā)歷史；等等。自阿波羅計劃以來，月面勘測的空檔已經(jīng)延續(xù)了40多年，能不能在月球研究中再邁出個“一大步”，這事兒，就扛在了小小玉兔的肩膀上。
對于這些科學(xué)問題，雨海盆地都是很好的研究對象。證實或證偽大撞擊假說有一個方法，即通過化學(xué)成分研究，尋找地球和月球的親緣性或者差異性。雨海作為月球最大的盆地，在估算全月球成分時會占據(jù)較大的權(quán)重。另外，風(fēng)暴洋－雨海地區(qū)富含克里普組分（KREEP）1，而科學(xué)家認為克里普組分代表了月球巖漿洋結(jié)晶最后的殘留巖漿，是我們理解月球巖漿洋演化的關(guān)鍵。還有，雨海填充有大量的玄武巖，可以幫助我們揭示月球的火山活動歷史。
這幅我們再熟稔不過的月面圖像，已經(jīng)暗示了其中的些許端倪——左圖白色的圓圈是阿波羅計劃的著陸點，紅色的十字則是嫦娥三號的著陸點。右圖顯示，嫦娥三號著陸點位于月球雨海盆地北部的玄武質(zhì)熔巖流之上。
雨海盆地很大，可供選擇的著陸點很多，為什么偏偏選擇這里？留意照片的顏色，我們可以明顯看到，玄武巖分為黑色和亮灰色兩大類。（注意：玄武巖是整體較暗的部分，不是明亮的月陸?。┬鋷r的不同色調(diào)，很可能代表著截然不同的巖漿事件，以及更深層次的月球演化行為。盡管工程控制不可避免的會存在誤差，但幸運的是，嫦娥三號最終著陸在兩類玄武巖交界線南側(cè)僅10千米的地方。如果玉兔號能夠穿越兩類玄武巖的交界線，那么通過這一次巡視，就可以探測兩類玄武巖的組成和厚度，進而根據(jù)這些基礎(chǔ)的巖石學(xué)信息，反演出月球歷史的大事件。
為了探測月球的物質(zhì)成分和地下結(jié)構(gòu)，玉兔號攜帶了3樣科學(xué)設(shè)備，分別是粒子激發(fā)X射線譜儀，可視－近紅外成像光譜儀和探月雷達。
粒子激發(fā)X射線譜儀搭載在月球車玉兔的機械臂上，用于探測月壤和月巖的化學(xué)成分分析。它利用自身攜帶的放射源產(chǎn)生α粒子和X射線，轟擊樣品表面以產(chǎn)生X射線熒光。根據(jù)X射線熒光的能量和強度，可以計算樣品表面的化學(xué)成分?？梢暎t外成像光譜儀則安裝在玉兔號的前端，能夠獲取樣品表面的可視－近紅外光譜，從而計算其主要礦物組成。
值得一提的是探月雷達，這是人類探月以來首次在月球表面直接進行雷達探測任務(wù)。探月雷達在月球表面激發(fā)電磁脈沖，這些電磁波傳入月表以下，遇到電磁屬性不同的地層，便會在界面上反射。利用天線接收反射回來的電磁波，便能夠反推月壤和淺表月巖的分層結(jié)構(gòu)。月球車玉兔上的探月雷達，低頻通道的探測深度可達400米，而且由于直接在月球表面上探測，它的分辨率要比其他方法更高。
玉兔號在兩個月晝內(nèi)對月壤進行了2次粒子激發(fā)X射線譜儀分析，4次可視－近紅外成像光譜儀分析，還利用雷達探測了一條近百米長的剖面。
圖中，黑色線條顯示了月球車玉兔的行駛軌跡，紅色五角星是嫦娥三號的著陸位置。A和B是著陸區(qū)兩個較大的撞擊坑，LS1和LS2是2次粒子激發(fā)X射線譜分析的位置，CD5－CD8是4次可視－近紅外成像光譜分析的位置。
通過月球車玉兔的實地探測結(jié)果，在月球的火山活動歷史和月壤的厚度兩個方面，我們都得到了新的認識2。
首先，玉兔號發(fā)現(xiàn)了一種新類型的玄武巖，并且這一玄武巖單元規(guī)模巨大。粒子激發(fā)X射線譜儀獲得了月壤12種元素的準確含量。與阿波羅月海盆地的月壤相比，我們發(fā)現(xiàn)嫦娥三號著陸處的月壤鐵和鈦含量較高，而鋁含量較低，在成分上表現(xiàn)出了截然不同之處，說明其下的玄武巖是一種新的類型。此外，這里的月壤中富含鉀、鋯、釔、鈮，表明這種玄武巖混入了10-20%的克里普組分。根據(jù)玉兔號的探測結(jié)果，該玄武巖可能由富含鐵和鈦的月幔源區(qū)部分熔融形成，然后在上侵過程中受到月殼底部的克里普巖層混雜，最后溢出月表，充填到了雨海盆地。重要的是，雷達探測到這一年輕的玄武巖層的厚度達到195米，這說明直至距今25億年前，雨海盆地仍有大規(guī)模的火山噴發(fā)。
其次，玉兔號首次利用雷達在月表實測了月壤厚度。借用地震勘探領(lǐng)域的瞬時頻譜分析和偏移成像等信號處理技術(shù)，我們獲得了著陸區(qū)的月壤結(jié)構(gòu)和厚度。探月雷達剖面顯示，月壤具有分層結(jié)構(gòu)，其頂部分層厚約0.7米，質(zhì)地均勻，幾乎不含石塊，而底界有一定的起伏，平均厚度約5米。由于月壤是小行星撞擊月表巖石形成，地質(zhì)年齡越大，月壤厚度也越大。嫦娥三號著陸區(qū)的年齡明顯小于其他月海區(qū)域，但實測的月壤厚度明顯大于其他間接方法估算的2－4米，說明整個月球的月壤厚度都可能被低估了。由于氦3和氫等重要資源主要賦存于月壤，這一發(fā)現(xiàn)將對這些重要資源儲量的估算產(chǎn)生較大影響。
此外，玉兔號還在月面對原始產(chǎn)狀的月壤就位展開了化學(xué)組成和光譜分析，其結(jié)果可以作為月球軌道遙感探測數(shù)據(jù)的校正標準值，提高全月球化學(xué)成分礦物組成的解譯精度。軌道遙感能夠探測全月球的化學(xué)組成分布，但是精度和準確度都較差；而就位測量精度和準確度較高，卻僅能探測某個特定地點。在沒有就位測量數(shù)據(jù)的時候，科學(xué)家要想評估軌道遙感數(shù)據(jù)的精確度和準確度，那是相當困難的。而玉兔號返回的就位探測數(shù)據(jù)，相當于為軌道測量數(shù)據(jù)提供了一個可以對比的標準，因為這個地點同時擁有了就位探測數(shù)據(jù)和軌道探測數(shù)據(jù)。通過與就位探測數(shù)據(jù)進行比對，科學(xué)家就可以對軌道探測數(shù)據(jù)的處理方法進行修正，從而提高精確度和準確度。
作為我國第一個自主研發(fā)的月面巡視探測器，月球車玉兔已經(jīng)完成了它的歷史使命。雖然，月球車玉兔最終沒能穿越兩類玄武巖的交界線，留下了些許遺憾。但是，無論在工程技術(shù)方面，還是在科學(xué)研究方面，它對我國的深空探測事業(yè)都具有非凡的意義。在工程上，它是零的突破。而在科學(xué)上，它為我們進一步了解月球的形成和演化提供了新的認識。
致謝：感謝果殼網(wǎng)達人溯鷹對本文的修改和潤色?。ň庉嫞?a >Steed）
