月球背面地下藏着什么玉兔二号探测结果来了
月亮的表面下面究竟有什么？这是人类长久以来的疑问。2019年1月3日，中国嫦娥四号月球探测器成功着陆于月球南极–艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑底部，开启人类首次月球背面软着陆和巡视探测。嫦娥四号玉兔二号月球车携带的测月雷达对月表地下的“透视”为解开这一秘密提供了直接证据。
中国科学院国家天文台李春来、苏彦研究员领导的科研团队，利用嫦娥四号玉兔二号月球车上搭载的测月雷达就位探测数据，首次揭示了月球背面着陆区域地下40米深度内的地质分层结构，发现地下物质由低损耗的月壤物质和大小不同的大量石块组成，并阐述了其作用与演化机制。该项成果是我国月球与行星探测领域的又一重大发现，研究成果深化了对月球撞击和火山活动历史的理解，并为月球背面的地质演化研究带来新的启示。
国际科学期刊《科学进展》（ScienceAdvances）于北京时间2月27日凌晨在线发表了该研究成果。
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图1：研究论文在《ScienceAdvances》期刊在线发表
众所周知，嫦娥四号探测器于北京时间2019年1月3日在月球背面最古老且最大的南极–艾特肯（SouthPole–Aitken）盆地内的冯·卡门（VonKármán）撞击坑底部成功着陆。已有的研究结果表明，冯·卡门撞击坑形成于前酒海纪，中心位置为44.45°S,176.3°E，直径约为186千米。坑内地形相对平坦，坑底被玄武岩填充，玄武岩表面相当一部分区域被周边大型撞击坑的溅射物所覆盖，并广泛分布着二次撞击坑，如图2所示。但是月表尤其是月球背面的地下结构是什么样的、由什么物质组成尚不清楚。
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图2：嫦娥四号着陆区影像图（黄色线条和箭头标识了典型的溅射物覆盖区域，绿色箭头标识了典型的二次撞击坑分布区域）制图：曾兴国
月球表面干燥有利于电磁波的穿透，玉兔二号月球车上携带的测月雷达好比是一台给月球做CT的设备，通过电磁波对月球浅层地质结构进行探测，能将所到之处月球表面下的月壤厚度及浅层地质结构等信息窥视得一清二楚。嫦娥四号测月雷达完全继承了嫦娥三号测月雷达技术状态，同样由发射机、天线、电控箱（含接收机、控制器）等几部分组成，包含低频和高频两个通道，两通道的天线均为收发分置形式。第一通道（低频）发射天线和接收天线安装于月球车后部的顶板下侧，第二通道（高频）天线安装于月球车底部的底板下侧（见图3）。
论文第一作者李春来研究员指出：“和嫦娥三号相比，嫦娥四号测月雷达高频通道的穿透深度是嫦娥三号的三倍多。”
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图3：测月雷达在玉兔二号月球车上的安装位置示意图。制图：高兴烨
测月雷达的探测伴随玉兔二号月球车的移动而进行。当月球车移动时，测月雷达通过发射天线往月面下发射脉冲电磁波信号，电磁波信号在月壤或月岩中遇到分层等介电常数不连续的目标时会发生后向反射和散射，形成回波，被接收天线接收。科学家对接收到的回波信号进行处理，就可获得一幅地下目标的剖面图像。获得的剖面图像的纵坐标为电磁波的回波时间，横坐标为巡视器的位置或移动距离，如图4所示。电磁波的传播速度确定后，探测深度就可由传播时间计算出来。
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图4：（a）测月雷达随月球车行走探测月表地下浅层结构示意图（b）测月雷达高频通道（500MHz）经过背景去除、增益调整和偏移处理后的雷达图像(Lietal.,Sci.Adv.2020)
嫦娥四号测月雷达在北京时间2019年1月4日9点29分35秒开机工作，本论文研究工作基于测月雷达在第一和第二前两个月昼获取的500MHz高频通道探测数据开展，期间玉兔二号月球车沿巡视路径共计行走了106米（图5）。
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图5：(a)嫦娥四号着陆区影像图(b)玉兔二号月球车第一和第二月昼行进路线图(Lietal.,Sci.Adv.2020)
论文通讯作者苏彦研究员介绍，研究团组计算分析了月球浅层物质的特性参数，包括电磁波在月表下物质中的传播速度、介电常数、密度、损耗角正切和钛铁含量等。根据获得的物性参数和雷达图像（图6），沿着月球车行走的路径，在深度40米的范围内，识别出了三个不同次表层地层单元，如图7所示。
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