每當月圓之夜，我們常常能夠欣賞到明亮美麗的月亮，但卻鮮少有人能夠察覺它隱藏著一個神秘而引人入勝的謎團——我們肉眼看到的月球正面和看不到的背面有著截然不同的特徵。隨著航天技術的不斷進步，我們有機會逐漸洞悉這個神秘的雙重面貌，而它所帶來的新發現也將深刻影響我們對月球與行星的認識和理解。請隨我一同踏上這場揭秘之旅，深入了解月球正面和背面的不同之處，並嘗試解開這個神奇的謎團背後隱藏的奧秘。
/月球的「二分性」現象
月球是地球唯一的天然衛星。由於潮汐鎖定的效應，月球的自轉週期與繞地公轉週期保持一致，使得地球上始終只能看到月球近地一側。然而，由於月球天平動現象，人們可以看到59%的月球表面。這部分可見的一側被稱為月球正面（Lunar nearside），而看不到的另一側被稱為月球背面（Lunar farside）。1959年蘇聯發射的Luna 3號月球探測器成功拍攝到了月球背面的第一張照片，人類開始真正認識月球背面的樣貌。從這張模糊的照片中，人們意識到月球背面與想象中的有所不同，與月球正面不太一樣。
圖1.Luna 3拍攝到的月球背面第一張照片
在接下來的幾十年裡，人類通過多次探測任務陸續獲取了月球背面越來越清晰的地形和影像。特別是自2007年以來，我國成功發射了嫦娥一號和嫦娥二號月球環繞探測器，獲取了覆蓋全月表的解析度為120m和7m的立體影像。這些高解析度影像進一步加深了人類對全月球表面形貌的認識。此外，通過使用特定的科學儀器（如礦物光譜儀等），還獲取了月球表面的礦物成分資料。基於這些資料的解譯與分析，研究者們發現，月球正面和背面在表面的地形地貌、元素分佈和地質單元特徵等方面均存在著巨大的差異。科學家們對此現象非常感興趣，並認為它可能與月球的形成與演化歷史密切相關。鑑於對造成這種差異原因的重要性關注，科學家們將月球正面和背面的差異性稱為「二分性」現象，並被列為是探索月球奧秘的幾個最為關鍵的科學問題之一[1]。
/月球正面和背面的差異性
從月球正面和背面的影像圖和地形暈渲圖可以看出月球正面和背面在地貌、地形等方面存在巨大差異（如圖2）。月球影像圖顯示月球表面可被劃分為暗色玄武岩區域（月海）和亮色的高地區域（高地）。利用Nelson（2014）[2]等人標繪的月海邊界進行統計，月球正面月海所佔面積比例超過30%，而在月球背面這一比例不到3%，存在數量級的差異。月球地形暈渲圖顯示月球正面地勢較為低窪平坦（藍色區域），月球背面則起伏較大，地勢較高（黃色區域）；而且相對於月球正面，月球背面的表面地貌更加粗糙，而且從月球背面的大部分區域，可以分辨出更多更密的環形坑，這意味著這些區域經歷了更長的撞擊歷史，所對應地表單元的年齡更為古老。
圖2.月球正面和背面的影像圖（上）和地形暈渲圖（下），由地面應用系統利用嫦娥月球影像和地形資料製作。
不僅如此，月球正面和背面的元素含量也存在著巨大的差異，如圖3展示了月球正面和背面的釷（Th）元素和鈦（Ti）元素含量分佈情況。這兩種元素的分佈圖中可看出，Th元素和Ti元素均在月球正面的月海玄武岩區域較為富集，而在月球背面僅集中在南極-艾特肯盆地（SPA，South Pole-Aitken Basin）中有少量分佈。Th（釷）是一種放射性元素，它通常與破裂巖、火山活動或熱液系統相關聯。月球上的高放射性岩石，如KREEP岩石（K: 鉀，REE: 稀土元素，P: 磷）和藍色斑岩（Blue Spots），富含釷（Th）元素。鈦（Ti）是一種常見的地殼元素，可與其他岩石形成礦物或合金。在月球上，鈦通常與鐵結合形成鈦鐵礦。這些岩石的形成和富含釷/鈦的特性與月球的地質歷史和構造演化密切相關。月球正面月海區域的釷/鈦富集可能暗示著月球正面的火山活動比背面更為活躍和頻繁。
圖3.月球正面和背面Th元素（上）和Ti元素（下）分佈圖，圖中紅色線條範圍為正面月海區域，白色虛線區域為SPA區域，圖片來源參考文獻[3]
Th元素和Ti元素在月球背面整體分佈稀少，卻在SPA盆地集中分佈，表明SPA盆地地殼的組成可能與其他月背區域不同。SPA盆地是月球上最大、最古老的撞擊盆地之一，它的形成可能引發了地殼深層物質的上升和重新分佈，從而導致了Th元素和Ti元素的富集。當然還需要進一步的科學研究來詳細探索這些元素分佈的原因和意義。
/關於二分性成因的多種科學猜測
月球正面和背面之間存在如此巨大差異，科學家們提出了多種假說來解釋這一現象。
觀點1：有科學家認為[4,5]，在月球形成初期，月球表面處於岩漿洋狀態，隨著岩漿洋的冷卻，斜長質等物質開始結晶，並逐漸漂浮到岩漿表面形成月殼層。當月球被地球潮汐鎖定時，靠近地球一側受到較高溫度的照射，而另一側溫度較低。這種溫差導致大規模環流，在月球正面和背面之間不斷輸送結晶的月殼物質。隨著時間的推移，月球背面的月殼層累積比正面厚10公里以上。在大撞擊時期，月球正面出現了許多巨大的盆地，如雨海、澄海等，這些區域的月殼非常薄。再之後，殘留岩漿中富集的熱元素引發了岩漿活動和噴發，月球正面的薄弱月殼區域成為岩漿噴發的主要出口，逐漸形成了現在的玄武岩分佈的月海。然而，月球背面的月殼較厚，岩漿難以噴發到表面，因此絕大部分區域仍由古老的月殼所覆蓋。
圖4.傾斜對流示意圖，月球早期岩漿洋表層斜長巖結晶後通過環流從正面被傳送到月球背面，圖片來源參考文獻[4]
觀點2：科學家們通過對月球內部研究提出了新的猜測，通過重力測量等方法發現，月核的位置相對於地球稍微偏移了約2公里。據此，有人認為這種不對稱分佈可能是由於原始月球岩漿洋中金屬不均勻富集所導致。據此推測，岩漿洋的較深側（即月球背面）首先結晶，從而使斜長質的月殼更早地在月球背面形成並聚集。因此，月球背面的月殼較厚，而月球正面月殼下將殘留更多含有KREEP的岩漿，進而導致後期玄武岩的大規模噴發並形成更多分佈於月海區域的玄武岩。這個觀點來源於WASSON& WARREN於1980年的研究[6]。
圖5.月核位置偏移示意圖，右側為月球正面，圖片來源參考文獻[7]
觀點3：最新的一些研究認為，月球背面的巨大撞擊盆地——SPA對月球的二分性起到了重大作用。SPA直徑2500公里，深約13公里，是月球表面最大的撞擊盆地。在其形成時，巨大的撞擊事件導致了月球全球範圍內的月幔熱對流現象，從而使富含KREEP的鈦鐵礦堆積體物質向月球正面流動並在風暴洋區域積聚。這些含有高熱元素的KREEP物質導致月球正面後續噴發了大量的玄武岩，形成了我們所見的暗黑月海中的玄武岩物質[3,8]。
圖6. SPA大撞擊導致物質對流示意，圖片來源參考文獻[3]
此外，還有學者提出了地球潮汐作用引起月球二分性的假說。由於在地月系早期形成時，月球離地球比較近，因此地球對月球正面的潮汐加熱作用比對月球背面強10%~20%[9]。這導致月球正面岩漿洋的結晶速度較慢，而月球背面則結晶較快，形成了更厚的斜長質月殼。不過，該理論需要進一步觀測資料的支持，並且要求月球與地球的距離非常接近，並持續足夠長的時間。
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破解月球二分性謎題，月背取樣成關鍵
目前對月球二分性的研究，主要依賴於遙感探測資料和數值模擬。然而，最關鍵的問題在於確定月球背面特別是玄武岩物質與正面成分的異同。因此，迫切需要對比分析月球正面和背面的玄武岩樣品，以確立它們之間的關係及異同。
如果能夠確定月球背面玄武岩的成分幾乎與正面一致，那麼可以表明月球早期岩漿洋中物質成分是全球均一的，與上文中觀點1和觀點2的推測相符。這將傾向於月球背面更厚的斜長巖月殼阻止了玄武岩的噴發，進而需要解釋月球背面月殼更厚的機制。另一方面，如果月球背面玄武岩與正面存在較大的成分差異，如KREEP含量明顯更少，就需考慮月球背面SPA等大撞擊事件是否改變了物質成分，或者撞擊之前源物質成分就存在差異。若撞擊前源物質成分相同，則SPA撞擊可能導致生熱元素物質向正面流動，與觀點3的推測較為符合；若撞擊前成分已不同，則應考慮月核位置和岩漿洋物質的不均一分佈導致二分性，較為符合觀點2的推測。解決這些問題的關鍵即在於從月球背面關鍵區域進行取樣，通過對月球正面、背面樣品的聯合研究來解答這些疑問。
近幾十年以來，通過阿波羅系列任務、Luna系列任務和嫦娥系列任務，人類從月球採回了數百公斤樣品（取樣位置如圖7所示）。然而，目前所有的月球樣品都是從月球正面採回的，沒有到月球背面取樣。2019年1月3日，嫦娥四號任務著陸在月球背面南極艾特肯盆地（South Pole Aitken Basin，SPA）的馮卡門環形坑，探測到了月球背面深部物質初露的初步證據，曾引起了國際上月球探測領域的重大關注，加深了人類對月球背面物質特性的認識。但要更深入地了解月球正面、背面特徵及其區別，破解月球正面、背面的二分性之謎，最直接地、一手的月球背面樣品同樣必不可少。因此，在國際月球探測領域，對月球背面取樣的呼聲也越來越大。如今，在我國持續開展月球探測任務之際，後續的月球探測任務（如嫦娥六號）計劃從月球背面採回月球樣品。
圖7. 已有的月球取樣任務在月球表面取樣位置分佈圖
嫦娥六號計劃將前往月球背面SPA盆地的Apollo坑西南平坦地形區域進行取樣。該區域有望獲取關於SPA撞擊事件、月球背面深部以及月球背面玄武岩物質的樣品。利用這些樣品進行研究分析，有助於更深入地了解SPA撞擊事件，同時，若能採集到月球背面的月球玄武岩樣品並與月球正面樣品進行物質成分對比分析，則可能為解開月球二分性之謎提供更可靠的證據。
圖8.嫦娥六號月球背面候選著陸區位置、地形地貌、及地質定年結果a) 嫦娥六號月球背面候選著陸區位置，上方為北邊，b)嫦娥六號月球別面候選著陸區周圍形貌，上方為北邊；c)嫦娥六號月球背面候選著陸區定年結果，左方為北邊。圖片來源參考文獻[10]
/結束語
在嫦娥五號從月球正面風暴洋區域帶回~2Ga的年輕月球樣品之後，即將於2024年開展的嫦娥六號任務計劃從月球背面古老SPA盆地中的阿波羅環形坑西南部地區進行取樣，對嫦娥六號預選著陸區的地形地貌、地質單元、礦物光譜解譯分析表明，嫦娥六號最可能獲取到以下資訊：1）月球背面SPA盆地中的月海玄武岩樣品（~2.40 Ga，或~3.43 Ga）；2）以濺射物為代表的月球深部物質（Mg-Pyx為主的noritic物質）3）一種新的未知的火山表面改造物質。嫦娥六號如果獲取了月球背面玄武岩樣品或SPA撞擊濺射物，這對於解開月球正面和背面的二分性等科學謎團將起到重大推動作用，讓我們一起期待吧！
參考文獻 /
[1] Jolliff B. L., et al., New views of the Moon. Vol. 60. (Mineralogical Society of America,Chantilly VA,2006), pp.1-17. [2] D. M. Nelson et al., Mapping Lunar Maria Extents and Lobate Scarps Using LROC Image Products 45th Lunar and Planetary Science Conference, Abstract #2861 (2014) [3] Jones, M. J. et al. A South Pole–Aitken impact origin of the lunar compositional asymmetry. Science Advances 8 (14). https://doi.org/10.1126/sciadv.abm8475 (2022). [4] Loper D E, Werner C L .On lunar asymmetries 1. Tilted convection and crustal asymmetry, Journal of Geophysical Research Planets, 2002, 107.DOI: 10.1029/2000JE001441. [5] Werner C L , Loper D E .On lunar asymmetries 2. Origin and distribution of mare basalts and mascons, .Journal of Geophysical Research Planets, 2002, 107.DOI:10.1029/2000JE001442. [6] Wasson, J . T. & Warren, P. H. Contribution of the Mantle to the Lunar Asymmetry, Lunar planet. & i. 11, Abstr., 1220 (1980). [7] Stevensen D J, Lunar asymmetry and palaeomagnetism, Nature, 287, (1980) [8] Zhang, N, et al. Lunar compositional asymmetry explained by mantle overturn following the South Pole-Aitken impact. Nature Geoscience, 15 (2022). [9] Quillena et al, Near/Far Side Asymmetry in the Tidally Heated Moon ,Icarus, 329: 182–196 (2019). doi:10.1016/j.icarus.2019.04.010, [10] Zeng, X., Liu, D., Chen, Y. et al. Landing site of the Chang’e-6 lunar farside sample return mission from the Apollo basin. Nat Astron (2023). https://doi.org/10.1038/s41550-023-02038-1.作者簡介 /
曾興國，博士，國家天文臺高級工程師，主要從事月球與行星遙感製圖研究。
高興燁，博士，國家天文臺助理研究員，主要從事月球與行星三維視覺化研究。