月球车玉兔到底发现了什么？

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自嫦娥三号在月球上成功着陆以来，月球车玉兔一直吸引着众人关注的目光。这倒一点儿都不出人意料，毕竟除了特别擅长卖萌以外，月球车玉兔还是近40年来，在月球这片天外大地上踏足的唯一巡视探测器。
- U0 y. ^$ x; G; q事实上，嫦娥三号于2013年12月14日在月球雨海东北部成功实施的软着陆，是上世纪六七十年代阿波罗成功登月之后的40余年里，人类探测器实现的唯一一次月球软着陆。这也使得我国成为继美国和苏联之后，世界上第3个独立实施月球软着陆的国家。
嫦娥三号完成了我国探月工程“绕”、“落”、“回”三个阶段的第二步，但这些阶段毕竟只是工程目标——它是过程，而不是最终目的。嫦娥工程的最终目的，是要服务于国家的战略需求，对月球进行实地科学勘测。
现在，是时候来看看，月球车玉兔在月面上都干了哪些正经事，又交出了怎样一份成绩单了。

月球车玉兔到底发现了什么？

左图是玉兔号月球车，右图是嫦娥三号着陆器。图片来源：作者供图
为什么落在雨海？要了解月球车玉兔的科学任务，先得从一个最基本的问题说起，那就是——玉兔号为什么要去探测月球雨海的东北部？
8 a/ }( x! O. Z嫦娥三号的着陆位置受到很多客观因素的制约，并不是想去哪里就可以去哪里的。首先，由于月球总是以一面对着地球，所以为了保证与月球车的实时通讯，着陆点最起码不能位于月球背面；其次，为了避免重复性工作，嫦娥三号要尽可能远离先前阿波罗计划已经去探测过的着陆点；此外，还要选择地形比较平坦的区域，以保证软着陆的安全和月球车的行驶。
在考虑完所有的客观制约因素后，接下来，玉兔号才能够主观选择“自己想做点啥”。探月工程师费了多少心血才让玉兔获得在月球上“到此一游”的资格，自然得朝着科学意义最大的地方去了。月球的关键科学问题包括如下几个：1、月球的成因（大撞击假说）；2、岩浆洋的演化和月壳的形成；3、月海盆地的形成和玄武岩的喷发历史；等等。自阿波罗计划以来，月面勘测的空档已经延续了40多年，能不能在月球研究中再迈出个“一大步”，这事儿，就扛在了小小玉兔的肩膀上。
对于这些科学问题，雨海盆地都是很好的研究对象。证实或证伪大撞击假说有一个方法，即通过化学成分研究，寻找地球和月球的亲缘性或者差异性。雨海作为月球最大的盆地，在估算全月球成分时会占据较大的权重。另外，风暴洋－雨海地区富含克里普组分（KREEP）1，而科学家认为克里普组分代表了月球岩浆洋结晶最后的残留岩浆，是我们理解月球岩浆洋演化的关键。还有，雨海填充有大量的玄武岩，可以帮助我们揭示月球的火山活动历史。

月球车玉兔到底发现了什么？

嫦娥三号和玉兔号月球车的着陆点。图片来源：作者供图
这幅我们再熟稔不过的月面图像，已经暗示了其中的些许端倪——左图白色的圆圈是阿波罗计划的着陆点，红色的十字则是嫦娥三号的着陆点。右图显示，嫦娥三号着陆点位于月球雨海盆地北部的玄武质熔岩流之上。
9 y( D9 H3 j# p) d. `/ a2 ~雨海盆地很大，可供选择的着陆点很多，为什么偏偏选择这里？留意照片的颜色，我们可以明显看到，玄武岩分为黑色和亮灰色两大类。（注意：玄武岩是整体较暗的部分，不是明亮的月陆！）玄武岩的不同色调，很可能代表着截然不同的岩浆事件，以及更深层次的月球演化行为。尽管工程控制不可避免的会存在误差，但幸运的是，嫦娥三号最终着陆在两类玄武岩交界线南侧仅10千米的地方。如果玉兔号能够穿越两类玄武岩的交界线，那么通过这一次巡视，就可以探测两类玄武岩的组成和厚度，进而根据这些基础的岩石学信息，反演出月球历史的大事件。
玉兔号的装备为了探测月球的物质成分和地下结构，玉兔号携带了3样科学设备，分别是粒子激发X射线谱仪，可视－近红外成像光谱仪和探月雷达。
粒子激发X射线谱仪搭载在月球车玉兔的机械臂上，用于探测月壤和月岩的化学成分分析。它利用自身携带的放射源产生α粒子和X射线，轰击样品表面以产生X射线荧光。根据X射线荧光的能量和强度，可以计算样品表面的化学成分。可视－近红外成像光谱仪则安装在玉兔号的前端，能够获取样品表面的可视－近红外光谱，从而计算其主要矿物组成。
值得一提的是探月雷达，这是人类探月以来首次在月球表面直接进行雷达探测任务。探月雷达在月球表面激发电磁脉冲，这些电磁波传入月表以下，遇到电磁属性不同的地层，便会在界面上反射。利用天线接收反射回来的电磁波，便能够反推月壤和浅表月岩的分层结构。月球车玉兔上的探月雷达，低频通道的探测深度可达400米，而且由于直接在月球表面上探测，它的分辨率要比其他方法更高。
7 m6 I9 A4 C* }* O% U玉兔号有什么新发现？玉兔号在两个月昼内对月壤进行了2次粒子激发X射线谱仪分析，4次可视－近红外成像光谱仪分析，还利用雷达探测了一条近百米长的剖面。

月球车玉兔到底发现了什么？

玉兔号月球车在月面上的行驶轨迹。图片来源：作者供图
图中，黑色线条显示了月球车玉兔的行驶轨迹，红色五角星是嫦娥三号的着陆位置。A和B是着陆区两个较大的撞击坑，LS1和LS2是2次粒子激发X射线谱分析的位置，CD5－CD8是4次可视－近红外成像光谱分析的位置。
通过月球车玉兔的实地探测结果，在月球的火山活动历史和月壤的厚度两个方面，我们都得到了新的认识2。
4 R! \% g( I9 n: j3 B首先，玉兔号发现了一种新类型的玄武岩，并且这一玄武岩单元规模巨大。粒子激发X射线谱仪获得了月壤12种元素的准确含量。与阿波罗月海盆地的月壤相比，我们发现嫦娥三号着陆处的月壤铁和钛含量较高，而铝含量较低，在成分上表现出了截然不同之处，说明其下的玄武岩是一种新的类型。此外，这里的月壤中富含钾、锆、钇、铌，表明这种玄武岩混入了10-20%的克里普组分。根据玉兔号的探测结果，该玄武岩可能由富含铁和钛的月幔源区部分熔融形成，然后在上侵过程中受到月壳底部的克里普岩层混杂，最后溢出月表，充填到了雨海盆地。重要的是，雷达探测到这一年轻的玄武岩层的厚度达到195米，这说明直至距今25亿年前，雨海盆地仍有大规模的火山喷发。
其次，玉兔号首次利用雷达在月表实测了月壤厚度。借用地震勘探领域的瞬时频谱分析和偏移成像等信号处理技术，我们获得了着陆区的月壤结构和厚度。探月雷达剖面显示，月壤具有分层结构，其顶部分层厚约0.7米，质地均匀，几乎不含石块，而底界有一定的起伏，平均厚度约5米。由于月壤是小行星撞击月表岩石形成，地质年龄越大，月壤厚度也越大。嫦娥三号着陆区的年龄明显小于其他月海区域，但实测的月壤厚度明显大于其他间接方法估算的2－4米，说明整个月球的月壤厚度都可能被低估了。由于氦3和氢等重要资源主要赋存于月壤，这一发现将对这些重要资源储量的估算产生较大影响。
, \9 H% P& ~, Q+ |) _此外，玉兔号还在月面对原始产状的月壤就位展开了化学组成和光谱分析，其结果可以作为月球轨道遥感探测数据的校正标准值，提高全月球化学成分矿物组成的解译精度。轨道遥感能够探测全月球的化学组成分布，但是精度和准确度都较差；而就位测量精度和准确度较高，却仅能探测某个特定地点。在没有就位测量数据的时候，科学家要想评估轨道遥感数据的精确度和准确度，那是相当困难的。而玉兔号返回的就位探测数据，相当于为轨道测量数据提供了一个可以对比的标准，因为这个地点同时拥有了就位探测数据和轨道探测数据。通过与就位探测数据进行比对，科学家就可以对轨道探测数据的处理方法进行修正，从而提高精确度和准确度。
2 A: C) s- }6 c作为我国第一个自主研发的月面巡视探测器，月球车玉兔已经完成了它的历史使命。虽然，月球车玉兔最终没能穿越两类玄武岩的交界线，留下了些许遗憾。但是，无论在工程技术方面，还是在科学研究方面，它对我国的深空探测事业都具有非凡的意义。在工程上，它是零的突破。而在科学上，它为我们进一步了解月球的形成和演化提供了新的认识。

致谢：感谢果壳网达人溯鹰对本文的修改和润色！
附注

克里普组分（KREEP），因富含钾（K）、稀土（REE）和磷（P）而得名。人们仅在月球陨石中发现了它的岩屑（岩石碎块），但是并未找到其岩石。        《PNAS封面文章：“玉兔”揭雨海火山活动史》
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为什么科普文还要同时署多个作者名？