▲研究論文在《Science Advances》期刊在線發(fā)表。

2019年1月3日，嫦娥四號探測器在月球背面最古老且最大的南極–艾特肯（South Pole–Aitken）盆地內(nèi)的馮·卡門（Von Kármán）撞擊坑底部成功著陸。已有的研究結(jié)果表明，馮·卡門撞擊坑形成于前酒海紀，中心位置為44.45°S, 176.3°E，直徑約為186千米。坑內(nèi)陸形相對平坦，坑底被玄武巖填充，玄武巖表面相當一部分區(qū)域被周邊大型撞擊坑的濺射物所覆蓋，并廣泛分布著二次撞擊坑，如圖2所示。但人類尚不清楚月表尤其是月球背面的地下結(jié)構(gòu)是什么樣的、由什么物質(zhì)組成。

▲黃色線條和箭頭：典型的濺射物覆蓋區(qū)域，綠色箭頭：典型的二次撞擊坑分布區(qū)域。

論文第一作者李春來研究員指出：“和嫦娥三號相比，嫦娥四號測月雷達高頻通道的穿透深度是嫦娥三號的三倍多。”

▲（a）測月雷達隨月球車行走探測月表地下淺層結(jié)構(gòu)示意圖（b）測月雷達高頻通道（500MHz）經(jīng)過背景去除、增益調(diào)整和偏移處理后的雷達圖像。

2019年1月4日9點29分35秒，嫦娥四號測月雷達開機工作，本研究成果基于測月雷達在第一和第二兩個月晝獲取的500 MHz高頻通道探測數(shù)據(jù)開展，期間“玉兔二號”月球車共行走106米。

▲(a)嫦娥四號著陸區(qū)影像圖 (b)玉兔二號月球車第一和第二月晝行進路線圖

嫦娥四號科研團隊對月球淺層物質(zhì)特性參數(shù)進行了計算分析，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。沿著月球車行走的路徑，根據(jù)獲得的物性參數(shù)和雷達圖像，在深度40米的范圍內(nèi)，識別出了三個不同次表層地層單元。

▲測月雷達高頻通道（500MHz）基于層析反演方法重建的雷達圖像 

▲嫦娥四號著陸區(qū)地下分層結(jié)構(gòu)示意圖

第一單元：從月球表面到地下12米，該地層為細粒月壤、內(nèi)嵌有少量石塊，是由多個撞擊坑互疊的濺射物風化而成。

第二單元：從地下12米到24米，該層是雷達圖像上回波強度最大的區(qū)域，表明內(nèi)部存在大量的石塊，甚至形成了碎石層和碎石堆，夾雜在細粒月壤之中。

第三單元：從地下24米到40米，該層雷達回波明暗交替變化，為不同時期、更古老的濺射物的沉積和風化產(chǎn)物。

深度40米以下雷達回波信號微弱，已無法推斷其物質(zhì)特性。

李春來研究員解釋說:“第一單元地層的濺射物可能主要來自周邊的芬森和馮·卡門撞擊坑等；第二單元地層物質(zhì)顯現(xiàn)出其濺射物的沉積不僅僅是地毯式的鋪散，也會伴隨著物質(zhì)之間的剪切、混合、挖掘以及二次撞擊的擾動等復雜的地質(zhì)過程。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)歷史，推測在嫦娥四號著陸點附近，完整的月海玄武巖覆蓋達到月表以下大于40米的深度。”

通過嫦娥四號測月雷達的就位探測數(shù)據(jù)，科研團隊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，首次揭開了月球背面地下結(jié)構(gòu)的神秘面紗。

“玉兔二號”月球車已完成了第十四個月晝的科學探測工作，目前正在開展第十五個月晝的科學探測，累計行走了385.537米。