核心提示：由于月幔上层的矿物密度大于底部的橄榄石，这时的月幔分层并不稳定。因此，地球化学家提出了月幔翻转模型，认为大量橄榄石最终被带到月幔上层，成为上月幔的主要成分。
图为1月3日在北京航天飞行控制中心拍摄的嫦娥四号探测器展开太阳翼（示意图）。新华社记者 金立旺 摄
新闻背景
5月16日，《自然》杂志发表了来自中国探月团队的重要突破：“嫦娥四号”在月球背面很可能首次发现月幔物质，这项发现让人类透过月球表面，探究月球深处的物质组成，并为完善月球形成与演化模型提供有力的支撑。
月幔成分之谜
与地球类似，月球自内向外分别由月核、月幔与月壳构成。45亿年前，诞生之初的月球被滚热的岩浆海覆盖。不久后，随着温度逐渐下降，月壳与月幔的分层开始出现：橄榄石和低钙辉石首先结晶、沉降到月幔底部；随后，较轻的斜长石结晶上浮，形成月壳；残余的高密度岩浆最后在月壳下方固化。
由于月幔上层的矿物密度大于底部的橄榄石，这时的月幔分层并不稳定。因此，地球化学家提出了月幔翻转模型，认为大量橄榄石最终被带到月幔上层，成为上月幔的主要成分。
这个故事虽然看似合理，但终究只是理论。要验证这一假说、掌握更精确的月球矿物构成，就必须对月球进行直接的采样与测量。
了解月壳相对容易。从苏联的“月球9号”月球探测器到美国的“阿波罗”载人登月工程，人类的探测器从月球表面采集、分析并带回了不少岩石样本。这些样本让我们对月壳的成分有着深入的理解。但是，接触月幔成分则要难得多。
月壳的平均厚度有40千米。即使在地球上，人类目前最深的钻井也只有12千米，更不用说在月球上打钻挖出月幔物质了。
在地球上，由于存在活跃的板块构造运动，来自地幔的岩浆可以通过火山等构造流向地表。冷却成岩后，它们成为我们了解地幔的窗口。
月球则截然不同。尽管一项本周发表的最新研究认为月球仍然存在构造活动，甚至能产生“月震”，但要指望月球自身的微弱运动将月幔物质送至月球表面，绝无可能。此前人类对月幔的了解，只能通过记录月震等间接观测手段。那么，人类怎样才能直接找到来自月幔的物质？
一个可以借助的力量是陨石。当一颗陨石撞向月球，如同投向水面的石子溅起的水花，冲击力让撞击地点周围地下的物质溅起、落在月球表面。如果陨石质量够大、速度足够快，它就有可能成为一枚“深钻”，穿透月壳让月幔物质露出表面。
因此，科学家将陨石坑视作发掘月幔物质的绝佳窗口。而月球最大、最古老的陨石坑——南极-艾特肯盆地（South Pole-Aitken basin，以下简称SPA盆地）成为关注的焦点。SPA盆地位于月球背面，因此直到1959年苏联的月球3号探测器首次拍下月球背面的照片，人类才注意到它的存在。
据推测，大约42亿年前，一次剧烈的撞击形成了这个直径2500千米的巨型盆地。此前的模拟计算认为，这次撞击足以扬起月幔物质。但当卫星遥感开始分析这片广袤的盆地，结果却有些出乎意料：尽管SPA盆地中有大量辉石，但本应随辉石一同出现的橄榄石却极少出现。
对此，科学家陆续提出了两种可能的解释：一是形成SPA盆地的撞击没有想象中的剧烈，或许是速度不够快，或许是撞击的角度太小，总之撞击地点下方的月幔物质依然睡得很安稳；另一种可能性是，此前人们建立的月幔翻转模型存在错误，上月幔中的橄榄石含量没有模型预计的那么高。如果是这样，那么对于月球演化，尤其是早期月幔流动模型的认识将被改写。
月幔的秘密就沉睡在月球的另一侧，等待着人类探测器的唤醒。
这里有橄榄石，很多！
2019年1月3日，月球背面的首位访客终于抵达。它就是“嫦娥四号”。之所以此前的探月项目都没有选择在月球背面着陆，一个主要障碍是，月球背面的探测器无法和地球直接建立无线电通信。为此，中国国家航天局提前发射了“鹊桥”月球中继卫星，以此作为探测器与地球间的通信中转站。
经过近1个月的飞行，“嫦娥四号”在SPA盆地内的冯·卡门陨石坑着陆。着陆地点的选择，一方面考虑了安全性：着陆区地势平坦，没有可能导致探测器损毁的障碍；另一方面，研究团队也考虑了发现月幔物质的可能性。虽然根据此前的遥感分析，产生SPA盆地的撞击可能没有直接击穿月壳，但撞击大幅削减了月壳厚度。此前的重力场观测数据也显示，SPA盆地中部分区域的月壳厚度可能不足10千米。如果在此基础上再出现一次陨石撞击，或许月幔成分就能现身了。而冯·卡门陨石坑，正是叠加在盆地上的又一次撞击。此外，着陆点周围还有多个陨石坑，包括最年轻的芬森陨石坑。这些撞击过程如能产生月幔溅射物，也有可能落在探测器的观测区域。
在登陆月球的当天，“玉兔二号”月球车便与“嫦娥四号”分离，踏上月球探测之旅。“玉兔二号”先后前往着陆点南侧与西北侧的两个探测点，使用携带的可见光及近红外成像光谱仪，成功获取了着陆区两个探测点的光谱数据。
领导这项研究的国家天文台李春来研究员在接受媒体采访时谈道：“我们一看到数据就感到眼前一亮，因为‘玉兔二号’探测到的谱线与此前‘玉兔号’在月球正面探测到的有很大不同。”
在“嫦娥三号”任务中，“玉兔号”巡视区域的岩石属于月海玄武岩。中科院国家天文台和中科院上海技术物理所组成的研究团队通过对光谱数据的分析发现，“玉兔二号”巡视区的月壤光谱吸收特征与上一次探测存在显著的差异。
进一步的数据分析证实了这一点。在两处探测点，橄榄石的占比分别为48%和55%，低钙辉石含量次之，而月海玄武岩的主要成分高钙辉石含量很低。这是人类首次在月球找到高橄榄石含量的岩石样本。这种矿物组合意味着，其最可能的来源便是上月幔。
月幔中的物质是怎样出现在月球表面的？结合遥感与光谱数据，研究人员指出了一种可能性：关键可能就在于着陆区东北侧那个直径72千米的芬森陨石坑。陨石的撞击让盆地下方的月幔物质溅出，其中一部分恰好落在“玉兔二号”的观测区域。
不过，研究人员也表示，目前的数据只是初步结论，这些物质是否真正来自月幔、月幔的确切组成如何，还需要等待后续任务将岩石样本带回地球，从而开展进一步研究。
法国蔚蓝海岸天文台的马克·维佐利克也表示，研究团队需要排除另一种可能性：这些物质诞生于后期的撞击过程，它们的物质构成与月幔相似，却不是真正的月幔物质。此外，根据月球岩浆海的结晶模型，月幔的组成与此次的发现不尽相同。这意味着月球模型需要修正，还是说这些物质根本就不是来自月幔？这些问题都需要进一步研究来判别。（特约《环球科学》供稿）
延伸阅读 “嫦娥四号”的主要科学目标
“嫦娥四号”此次探月行动有三大科学目标：一是月基低频射电天文观测与研究；二是月球背面巡视区浅层结构探测研究；三是月球背面巡视区形貌与矿物组分探测研究。
月球背面与地球“隔绝”的特性，使其成为一系列射电天文学实验的绝佳场所。着陆器上配置的低频射电谱仪以及“鹊桥”中继卫星搭载的低频射电谱仪将联合展开低频射电观测，为人类探索银河系中人们知之甚少的部分，例如恒星之间的气体、恒星死亡后衍生的磁场。天文学家们将利用这些数据更好地理解濒死恒星如何利用释放的能量来加热恒星之间的气体。
其次，月球车上的测月雷达将对月壤厚度、浅层结构进行探测和研究，这些探测对于月壤和月壳的地质演化细节研究有重要帮助，有望实现在月球演化模型及其理论体系研究方面的重大突破。
最后，着陆器上配置的降落相机、地形地貌相机以及巡视器上配置的全景相机和红外成像光谱仪将开展月表地貌三维成像探测，并对物质成分进行分析。通过多种探测手段，“嫦娥四号”将首次建立月球背面集地形地貌、地质构造、物质成分、浅层结构于一体的综合地质剖面，并建立区域性的地球化学与构造动力学演化模型。
