12 嫦娥四號在月球的背麵發現了
全書已經進行了十一章，可能有讀者會問，怎麽你講來講去不是美國國家航空航天局的發現就是歐洲航天局的發現，從來就不提我們中國呢？在很多人的印象中，中國現在已經是世界上除了美國和俄羅斯之外的第三航天大國，在太空探索領域，怎麽也應該有中國人的一席之地。
我想客觀地跟大家說，我國現在確實是航天大國，這一點不用懷疑。不過，航天大國不等於同時也是科學新發現的強國。這不是因為中國科學家不如歐美國家的科學家聰明，而是因為太空領域的新發現需要時間積累。我國成為航天大國的時間還很短，我國的科學家有機會從事最前沿的太空探索的時間也還很短。科學新發現是一個慢工出細活的領域，是一個需要長期高投入，而努力又不一定有回報的領域。你們可以回顧一下歐美國家的新視野號、卡西尼號等計劃，這些太空探索項目哪一個不是持續了10年以上才有了那麽一點點回報的？
所以，大家不要著急，要給我國科學家一些時間，一定能等到我國的太空探索結出碩果的那一天。實際上，碩果的苗頭已經有了，我國2019年的太空探索項目已經在國際上引起了很大反響，那就是嫦娥四號的新發現。在講嫦娥四號的新發現之前，我先給你簡單介紹一下嫦娥計劃。
嫦娥計劃是我國的探月工程，它一共分為繞、落、回三個階段。它的主要科學目標可分為五大類：月表形貌觀測、月壤采集返回、月球資源探查、月球形成和演化研究，以及月基空間科學和天文學研究。
其中嫦娥一號和二號，分別發射於2007年和2010年。它們成功實現了第一階段的繞月探測任務，對月表進行了高精度的三維掃描，同時使用多種遙感技術，對月球的資源儲藏、地質成分、空間環境等進行了詳細測繪。換句話說，嫦娥一號和二號讓我國加入了月球俱樂部，讓我們取得了與歐美同行同台競爭的資格。
嫦娥三號和四號，分別發射於2013年和2018年，它們實現了第二階段的月麵軟著陸任務，對著陸區附近進行了更詳細的研究。
接下來的嫦娥五號，已於2019年年底發射，將實現三步走的最後一步：采樣返回任務。遙想1978年，美國人給中國送了一件國禮，就是質量為1克的月球土壤，把我國的科學家激動壞了。可見，從月球帶回來的樣本有多珍貴。
2019年1月3日，嫦娥四號成功著陸月球背麵，在國內外引起熱議。NASA局長吉姆·布裏登斯廷（Jim Bridenstine）還專門發了條推特表示祝賀。嫦娥四號的這次軟著陸，創造了一個新的月球紀錄。那就是人類第一次成功發射探測器著陸月球背麵。我國成為繼美國和蘇聯之後，世界上第三個把探測器發上月球表麵的國家。
那麽，嫦娥四號去月球背麵做什麽？它都發現了什麽呢？雖然各路媒體有過很多的報道，但基本上都是同一篇新聞稿的不同組合，有效的信息很少。終於， 2019年5月16日，以中國國家天文台李春來為首的研究人員，在國際頂尖期刊《自然》上發表了關於嫦娥四號新發現的論文，終於讓我找到了最權威的官方解答，嫦娥四號的諸多細節才首次被公眾知曉。嫦娥四號的新發現用一句話來說就是：“它在著陸點附近探測到了很可能是原生橄欖石的信號。”
沒什麽感覺對吧？是的，如果對月球的地質研究曆史沒有一定了解的話，這句話實在是太幹巴巴了，幾乎沒有辦法引起人們感情上的波動。這不像“卡西尼號在土衛二上發現了孕育生命的一切條件”這種級別的發現，哪怕是一個完全不了解土星探索史的人，聽了也難免會心頭一震。
要想對嫦娥四號的新發現有共鳴，就必須了解與月球地質有關的基本知識。關於月球，人們最想知道的一個謎題是：月球到底是怎麽形成的？這就是著名的“月球起源之謎”。你可能知道最主流的大碰撞假說，但是，這個假說曾經的競爭理論有哪些？大碰撞假說又是怎麽脫穎而出的？知道這些的人就不多了。
實際上，在20世紀，主流科學界對月球的起源提出過四種假說，分別是俘獲說、同源說、分裂說和撞擊說。
46億年前，在太陽係形成的早期，不同的行星在不同的區域內由星雲物質匯聚而成。太陽也是這麽形成的，隻不過它匯聚了最多的物質，其他所有太陽係的天體都不過是由形成太陽時剩下的一小撮邊角料構成的。
但是，這些邊角料之間的關係一點也不簡單。在太陽係的早期，有很多半大不小的星核，它們是今天行星的父輩。由於這些新形成的星核過於接近，導致引力相互幹擾，小的星核就會被大的星核甩得滿天飛。直到最後，星核們並合的並合，軌道遷移的遷移，最終穩定下來，變成了今天的樣子。
而月球形成的理論之所以那麽多，就是因為太陽係早期的這種混亂局麵。其中俘獲說認為，月球和地球不是一起形成的，月球是飄到地球軌道上被地球俘獲的。而同源說認為，月球和地球誕生於同一個吸積盤(1)中。分裂說則認為，由於地球早期處於熔融狀態，月球是地球甩出來的，就像做荷包蛋不小心漏出來了一樣。最後一個撞擊說則認為古地球與一個火星大小的星核碰撞，拋射出來的物質形成了月球。
這四種理論的支持者們一直爭論不休。直到1984年，行星科學家們計劃10月在夏威夷舉辦一場關於月球起源的會議。而早在一年半前，相關領域的科學家們就收到了會議通知。在科學界，這種國際大型會議都是提前一年以上就安排好的。隻不過在會議通知裏，有這麽一段唬人的話：“你們有整整18個月的時間和阿波羅計劃的一堆數據。趕緊埋起頭來幹活。如果到時候對於月球的起源還沒有自己的觀點，那你就別來開會了！”(2)
這段可能俏皮成分更多的話，透露出了科學家們的可愛，同時也代表了當時科學界急於解決這一關鍵問題的決心。
18個月一溜煙就過去了。在陽光明媚、椰林密布的度假勝地夏威夷，科學家們如約聚到了一起。經過一番激烈的唇槍舌劍，終於，四個理論中的一個基本勝出了，那就是撞擊說。科學家們是如何做出這個決定的呢？實際上，科學家們主要用的是淘汰法，按照漏洞大小，逐一淘汰，剩下的那個漏洞最小的，就成了最後的贏家。
首先被淘汰的是分裂說。它有一個致命漏洞無法解釋，就是地月係統的角動量(3)問題。如果月球是地球分裂出去的一部分，那麽由於係統的角動量守恒，今天地月係統的角動量就必須等於古地球的角動量。這要求古地球的自轉速度高到讓人無法理解的程度。
俘獲說的問題則是，遠處飛來的月球被俘獲後應該擁有一個非常橢圓的軌道。除非古地球周圍有十分稠密的大氣，不然月球無法形成今天這樣近圓的軌道。
而同源說麵對的困難是月球的貧金屬問題。通過估算月球的密度，科學家們很早就發現月球金屬含量比較低。如果是一同誕生的兩個星球，為什麽月球金屬含量會和地球不同呢？這似乎說不通。
就這樣，大碰撞假說從四種假說中被剩下來了。那麽這個假說的可信度到底怎麽樣呢？
大碰撞假說隻不過是目前看上去漏洞最小的一種假說，如果要證實，還需要更多的證據。首先，科學家們迫切地想搞清楚月球的內部構造是怎樣的。
這可就難了。首先，往下挖是肯定行不通的。別說月球了，就是在地球上，人類最深的鑽孔深度也不過12千米，而月球的半徑是1740千米。科學家們要研究月球的內部構造，唯一的神器就是阿波羅飛船帶到月球上的月震儀。阿波羅計劃在月球的不同地區一共安置了5台月震儀。
和地球上有地震一樣，月球上也有月震，但月震的形成原因和地震完全不同。地震的主要成因是漂浮在地幔上的陸地板塊之間的碰撞擠壓。但像月球這樣大小的天體，由於保溫能力不足，中心物質放射性衰變的熱能大部分已經輻射到太空中了。也就是說，月球早就沒有了板塊運動。
月震的主要成因有三個，分別是地球對月球的潮汐力、太陽光照變化帶來的溫度差異，還有隕石的撞擊。這5台月震儀，除了1台提前壞了，其餘4台一直工作到了1977年。它們總共記錄下了12558次各種形式的月震，震波在不同的介質中傳播速度不同。分析這些收集到的數據，科學家們得以確認，月球擁有一個半徑240千米的固態核，在核的外麵是很薄的一層熔融月幔，厚度大約是100千米，再上麵就是1000多千米的固態月幔，而最外麵則是厚度從幾千米到幾十千米不等的月殼。
這種分層結構是怎麽形成的呢？原來，在岩石行星形成的早期，都經曆過完全熔融的狀態。在液態物質中，就會自然而然地形成密度由小到大的分層。因此，岩石行星的內核一般都是由密度較高的金屬元素組成的，再往上密度逐漸減小。但由於元素之間會形成各種化合物，所以這個分層過程並不會把一個星球按著元素一層層分開，而是在從熔融到凝固的過程中逐步析出密度不同的礦物晶體。
可是，通過研究月震波，我們隻能大致探清月球內部的結構和密度分布，卻不能知道內部的化學組成是什麽。要知道，化學組成可是非常重要的。例如，要想判斷月球是否形成在地球附近，地月之間的元素豐度比、同位素比就是關鍵證據。所以一直以來，科學家們都在試圖尋找被各種原因帶到月麵的深層物質。
月海中的物質便是其中之一，月海是月球上那些大片的黑色區域。天文上的名字取得都非常好聽，什麽風暴洋啊，靜海啊，豐富海啊。不過，這些月海裏可沒有水。它們曾經確實是海洋，隻不過是岩漿海洋。
月球剛形成幾億年時，雖然月殼已經凝固了，但整個月球遠不像今天這樣是鐵板一塊。當時，薄薄的月殼下麵便是熔融的月幔，隕石墜落到月球上，便有可能擊穿月殼。它們在月殼上留下的隕石坑會被從下麵湧上來的月幔物質覆蓋，形成月海。
為什麽月海的顏色要比月殼黑呢？這是因為兩者的物質成分不同。最先結晶析出的月殼是由斜長岩組成的，而後來湧出的月海物質則是由玄武岩組成的。斜長岩的顏色偏亮，而玄武岩的顏色就是黑的。就好像岩漿，岩漿剛冒出來的時候是橘紅色的，一旦凝固就變成黑色的了。
這些來自月殼下方的月海物質給科學家研究月幔以啟示。阿波羅計劃總共從月球帶回了382千克的月表樣本，其中就包括了月海玄武岩的樣本。從這些月海玄武岩中，科學家們發現了一定量的橄欖石。
嫦娥四號本次新發現的關鍵名詞——橄欖石——總算登場了。橄欖石這個名字的由來其實也很簡單，因為它呈現出來的是一種像綠色的橄欖一樣的顏色，半透明的，很好看。你要是拿在手裏，估計會直接叫它寶石。實際上，來自隕石中的橄欖石有個別名就叫“天寶石”，非常珍貴罕見。
在地質類的科普文章中，出現最多的詞就是“某某岩”“某某石”了。這裏我們需要建立一個基本概念。在地質專業用語裏，某某石指的是一種具體的礦物成分，也就是有固定化學式的晶體。而某某岩，則是比較寬泛的概念，指的是某些礦物組分(4)在一定比例範圍內的組合。比如，玄武岩主要由基性長石、輝石組成，還可以含有少量的橄欖石、角閃石等。打個比方，某某岩就好比是說瓜、果、蔬菜等一類食物，而某某石，就好比是蘋果、香蕉等具體的食物。
所以，橄欖石就是在月海玄武岩中的某一種特定的晶體結構。不過，阿波羅飛船帶回來的橄欖石並不是原生的橄欖石（原生就是和月幔物質同時形成的意思）。這是因為月海玄武岩在上湧的過程中會發生變化和再結晶，其中的橄欖石也就不是月幔裏原生的橄欖石了。
因此，要想更好地研究月殼下麵月幔的物質和結構，最好是能找到原生的橄欖石。那麽，月球上有沒有可能存在原生橄欖石呢？有一種觀點認為，原生橄欖石有可能存在於大型的隕石坑附近。因為在隕石的猛烈撞擊下，月殼有可能被撞破，下麵的月幔就會被帶出來，在撞擊坑附近形成一個富含橄欖石的區域。
2007年，日本發射了月亮女神號（SELENE）探測器。通過遙感探測，它確實找到了這樣的富橄欖石區，但是數量非常少。遙感的證據還不夠，我們需要更直接的證據。
嫦娥四號的著陸點在月球背麵著名的南極-艾特肯盆地（South Pole–Aitken Basin）內。這個盆地的直徑足有2500千米，是月球乃至整個太陽係中已知的最大盆地。這意味著，曾經有一次威力巨大的撞擊在這裏發生。這裏的樣品一直都是相關領域的科學家們夢寐以求的。但是，登陸月球背麵的困難導致這個研究遲遲不能推進。
嫦娥四號的著陸點——馮·卡門撞擊坑（Von K á rm á n Crater），則在盆地內的西北方向，靠近月背中央位置（這在一定程度上也是出於與鵲橋中繼衛星(5)通信順暢的考慮）。可是，當初月亮女神號探測器並沒有在馮·卡門撞擊坑附近發現富橄欖石的信號。可見遙測和著陸近距離探測在精度上還是有相當差異的。
這個發現是玉兔二號巡視器做出的。大家應該記得，嫦娥三號上搭載著玉兔一號，所以嫦娥四號上的就是玉兔二號了。
在玉兔二號的胸前搭載有一台紅外成像光譜儀。通過這個神器，在著陸後的第一個月晝裏，玉兔二號在15、16兩處探測點發現了低鈣輝石和大量橄欖石的信號。而馮·卡門撞擊坑是被月海玄武岩覆蓋的。按理說，月海玄武岩是以高鈣輝石為主，為什麽在馮·卡門撞擊坑的中心居然會探測到如此非同尋常的信號呢？
國家天文台的研究人員結合著陸區的高分辨遙感數據得出結論：月球車實際上位於月海玄武岩“平原”的撞擊濺射物上。也就是說，在馮·卡門撞擊坑的月海玄武岩之上，還有一層濺射物質。分析濺射物的方向後，他們判斷濺射物來自緊挨著馮·卡門撞擊坑的芬森撞擊坑（Finsen Impact Crater）。
為什麽濺射物不是來自更遠的地方呢？因為月球上沒有流動的水和大氣，不能靠風化形成土壤。這些月壤其實全都是隕石撞擊拋射出來的微小碎屑落下堆積成的。通過研究阿波羅計劃收集到的樣本和數據，科學家們得出結論：隻有約5%的月壤是從所在地100千米以外飛來的，而另外95%的月壤一般是來自非常臨近的撞擊坑。
既然物質是濺射出來的，物質成分又和月海玄武岩截然不同，那麽研究人員就得出了結論：玉兔二號發現了科學家們一直以來想要尋找的——月幔原生橄欖石！這可是到目前為止，人類關於上月幔物質成分最直接的證據。
雖然月幔中原生橄欖石的發現離我們真正揭開月球起源之謎還有一定的距離，但這絕對能夠載入月球起源演化的科學史，也絕對是嫦娥計劃所有科學產出中濃墨重彩的一筆，為我們下一步繼續研究月幔物質和月球起源之謎指明了路徑。
看完這一章內容，你再關注嫦娥五號的發射，一定會有不一樣的感覺了。嫦娥五號的目標是把月球上的物質帶回來，不出意外的話，嫦娥四號發現的這些橄欖石就會被帶回來。或許嫦娥五號又會帶來對人類認識月球有裏程碑意義的科學新發現，讓我們一起拭目以待吧！
(1)吸積盤（accretion disc或accretion disk）：由彌散物質組成的、圍繞中心體轉動的結構（常見於繞恒星運動的盤狀結構）。
(2)William Hartmann, Geoffry Taylor, Roger Phillips, Origin of the Moon, Lunar & Planetary Institute, 1986
(3)角動量（angular momentum）：在物理學中是與物體到原點的位移和動量相關的物理量。
(4)組分（component）：化學用語，指混合物（包括溶液）中的各個成分。
(5)中繼衛星（Tracking and Data Relay Satellite System）：通信衛星的一種，主要用於數據傳輸，特點是數據傳輸量大。