嫦娥帶回的月壤藏著什么秘密？

張淼

12月19日，在國(guó)家航天局舉行的探月工程嫦娥五號(hào)任務(wù)月球樣品交接儀式上，中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)侯建國(guó)從國(guó)家航天局局長(zhǎng)張克儉手中接過(guò)嫦娥五號(hào)樣品容器。經(jīng)初步測(cè)量，嫦娥五號(hào)任務(wù)采集月球樣品重1731克。

隨后，樣品抵達(dá)中科院國(guó)家天文臺(tái)月球樣品實(shí)驗(yàn)室，在稱重、抽真空、充氮?dú)獾纫幌盗胁僮骱?，最終轉(zhuǎn)運(yùn)至“地外樣品存儲(chǔ)和解封室”，正式開始解封和處理。中國(guó)首次地外天體樣品儲(chǔ)存、分析和研究工作就此拉開序幕。

12月17日凌晨，歷經(jīng)十多天的太空工作，嫦娥五號(hào)攜帶來(lái)自風(fēng)暴洋呂姆克山的2000克月壤返回地面。在此之前，人類最近一次取得月壤樣品，還是在1976年，蘇聯(lián)月球24號(hào)登月。40多年后，中國(guó)成為全球第三個(gè)去月球“挖土”的國(guó)家。

根據(jù)嫦娥五號(hào)設(shè)定的科學(xué)目標(biāo)，科學(xué)家后續(xù)將對(duì)月球樣品進(jìn)行系統(tǒng)、長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)室研究，分析月壤的結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成，深化月球成因和演化歷史的研究。

“大撞擊”：有關(guān)月亮形成的傳說(shuō)

月球，是距離人類生存的地球最近的一顆星。月球如何形成、和地球又有什么關(guān)系——人們對(duì)月球的身世一直充滿強(qiáng)烈的好奇心。

20世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家先后提出4種不同的月球起源假說(shuō)：月球和地球在同一個(gè)系統(tǒng)里吸積氣體和塵埃而成“雙星吸積說(shuō)”、由地球早期自轉(zhuǎn)過(guò)快而甩出去的“分裂說(shuō)”、是地球引力捕獲衛(wèi)星的“捕獲說(shuō)”，以及由其他行星撞擊地球形成的“大撞擊說(shuō)”。

其中，“大撞擊說(shuō)”被越來(lái)越多的科學(xué)家所接受。大約在45.6億年前太陽(yáng)系誕生之初，八大行星基本成形。但太陽(yáng)系的宇宙空間中，仍然“漂浮”著大大小小的星體。“大撞擊”假說(shuō)認(rèn)為，約在45億年前，一顆火星大小的天體撞上了原始地球。巨大的能量使整個(gè)撞擊體和地球的外圈層物質(zhì)被熔融、氣化和混合，其中一部分逐漸聚集形成了月球。

為了證明“大撞擊說(shuō)”，科學(xué)家采用了各種各樣的辦法。例如，上世紀(jì)六、七十年代，美國(guó)阿波羅計(jì)劃陸續(xù)從月球帶回了總重達(dá)382千克的巖石，為人類了解月球提供了的樣本。

而探測(cè)數(shù)據(jù)顯示，月球物質(zhì)中揮發(fā)性組分大量丟失、金屬核很小但與地球具有相似的氧化還原程度等等，都可以成為支持這一假說(shuō)的證據(jù)。

同時(shí)，過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，月球隕石也成為人類了解月球的一扇窗口。地球化學(xué)研究者通過(guò)對(duì)月球隕石阿波羅月巖樣品的研究發(fā)現(xiàn)，地球和月球上氧的同位素的組成相同。這意味著，月球與地球存在相同的“基因”。

12月17日，在中國(guó)航天科技集團(tuán)五腕，科研人員打開嫦娥五號(hào)返回器艙門，取曲裝有月球樣品的容器并進(jìn)行稱重。圖/新華

用中國(guó)月球探測(cè)工程首任首席科學(xué)家、中科院院士歐陽(yáng)自遠(yuǎn)的話說(shuō)：“千真萬(wàn)確，月球是地球的女兒。”

不過(guò)，阿波羅計(jì)劃在月球上取樣范圍畢竟有限，而月球隕石來(lái)源的不確定性和遙感探測(cè)獲得信息的局限性總是像“隔靴搔癢”。科學(xué)家期待，要是能從月球上更多的地方挖回來(lái)“真土”，就能夠得到更多有關(guān)“大撞擊說(shuō)”的證據(jù)。

在美蘇探月之后，時(shí)隔半個(gè)世紀(jì)，嫦娥五號(hào)承擔(dān)起這一重任。經(jīng)過(guò)約38萬(wàn)公里、一周左右的地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行之旅，12月1日晚間，嫦娥五號(hào)探測(cè)器穩(wěn)穩(wěn)降落在月球正面風(fēng)暴洋北部呂姆克山、夏普月溪附近。這是中國(guó)探測(cè)器第三次在月球表面成功軟著陸，也是人類探測(cè)器首次踏足月球上的這一區(qū)域。

“巖漿洋”：一塊重要的拼圖

自12月1日23時(shí)著陸后，嫦娥五號(hào)在月面工作近19個(gè)小時(shí)后完成月球鉆取采樣及封裝。

根據(jù)前期遙感影像資料，嫦娥五號(hào)著陸區(qū)是13億～20億年前形成的玄武巖，不同于以往9個(gè)地點(diǎn)，也是最年輕的月球火山巖。和月球45億年的年齡相比，這里是非?！澳贻p”的地區(qū)。此前，嫦娥四號(hào)在月球背面更加古老的南極-艾特肯盆地著陸，那里被認(rèn)為在42億～43億年前形成。

回到“大撞擊說(shuō)”上，“巖漿洋假說(shuō)”可以被視為大撞擊的結(jié)果之一，也是證實(shí)“大撞擊說(shuō)”的重要拼圖。

1969年發(fā)射的“阿波羅”11號(hào)不僅讓宇航員阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林首次在月球表面留下人類的足跡，還帶回對(duì)月球化學(xué)成分研究至關(guān)重要的樣品——包含鈣、鋁及二氧化硅成分的“斜長(zhǎng)巖”。

據(jù)國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在1970年1月刊登的一篇文章，美國(guó)史密森尼天文臺(tái)的研究人員在1676塊月球巖石碎片中發(fā)現(xiàn)了61塊斜長(zhǎng)巖，特別是在月球上表面明亮的高地勢(shì)地區(qū)。這些新發(fā)現(xiàn)給了他們極大的啟示——斜長(zhǎng)巖的密度較小，在巖漿中能夠漂浮在頂部。

據(jù)此，他們提出一種新的月球演化模型，即巖漿洋假說(shuō)。這一假說(shuō)指的是，大撞擊后形成的月球被一層全球性的巖漿覆蓋，形成了約400公里甚至更深的巖漿洋。

這是一幅無(wú)比壯觀又難以想象的畫面：在距離我們最近的一顆星球上，曾經(jīng)覆蓋著漫無(wú)邊際、熾熱的巖石熔融體。好比一鍋熱湯，剛開始冷卻的時(shí)候，更重的物質(zhì)橄欖石和輝石首先結(jié)晶析出，堆積在最底部，然后輕一些的斜長(zhǎng)石結(jié)晶漂浮到月球表面聚集形成斜長(zhǎng)巖高地。

2019年5月，就在嫦娥四號(hào)抵達(dá)月球半年后，中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員李春來(lái)帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在《自然》上發(fā)表相關(guān)結(jié)果。嫦娥四號(hào)在就位光譜探測(cè)中發(fā)現(xiàn)了來(lái)自月球深部的橄欖石和低鈣輝石。這不僅直接揭示了月幔物質(zhì)的組成，也成為支持“巖漿洋假說(shuō)”的有力證據(jù)。

另一項(xiàng)有力證據(jù)來(lái)自于嫦娥三號(hào)探測(cè)到的信號(hào)。當(dāng)巖漿洋“熱湯”不斷冷卻固化，殘留巖漿中的不相容元素含量逐漸升高，最終留下富集鉀、稀土元素、磷的特殊月巖——克里普巖。

2015年，根據(jù)“玉兔號(hào)”發(fā)回的微量元素信息，中科院地質(zhì)與地球物理研究所研究員林楊挺團(tuán)隊(duì)推斷，“嫦娥三號(hào)”著陸區(qū)的玄武巖含有10%～20%“克里普巖”物質(zhì)。不過(guò)，要證實(shí)“克里普巖”的確存在，還需要更加確鑿的數(shù)據(jù)，比如從月球樣品中直接得到它的化學(xué)成分。

科學(xué)家期待，嫦娥五號(hào)帶回的月球樣品，將講述一個(gè)關(guān)于月球晚年的故事。年輕的風(fēng)暴洋能夠更多富集鈾、釷、鉀等放射性元素，對(duì)其開展高精度年代學(xué)分析，結(jié)合微量元素和穩(wěn)定同位素信息，有望對(duì)月球內(nèi)部冷卻歷史及其巖漿演化晚期過(guò)程，給出更精確的描述。

絕非止步月球

自1958年開始，為探測(cè)月球，中國(guó)科學(xué)家經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)35年的跟蹤調(diào)研與綜合分析，開展了各類地外物質(zhì)、阿波羅月球巖石和火星隕石研究。正式啟動(dòng)于2004年的中國(guó)探月工程，按規(guī)劃分為“探”“登”“駐”三個(gè)階段，如今已完成第一階段“探”的“繞”“落”“回”三步，共五次任務(wù)。

目前為止，前四次探月收獲頗豐：嫦娥一號(hào)取得全月球的影像圖、月表物質(zhì)成分和近月空間環(huán)境，首次獲得月球土壤層內(nèi)氦-3資源的分布與資源總量;嫦娥二號(hào)完成全世界覆蓋最全、精度最高的一張全月圖及嫦娥三號(hào)著陸區(qū)1米分辨率的高精度地形圖，隨后與“圖塔蒂斯”小行星交會(huì);嫦娥三號(hào)著陸月球虹灣區(qū)，開展“測(cè)月、觀地、巡天”探測(cè);嫦娥四號(hào)首次實(shí)現(xiàn)了在月球背面軟著陸，在月球背面的南極艾特肯撞擊坑盆地開展科學(xué)探測(cè)。

俄國(guó)“火箭之父”齊奧爾科夫斯基曾指出：“地球是人類的搖籃，但人不能永遠(yuǎn)生活在搖籃里。他們不斷地向外探尋著生存的空間：起初是小心翼翼地穿出大氣層，然后就是征服整個(gè)太陽(yáng)系?！睔W陽(yáng)自遠(yuǎn)在過(guò)去的演講和采訪中多次提到，這句話深深地打動(dòng)了他。

人類絕不會(huì)僅僅止步于月球。除了了解月球本身之外，月球探測(cè)是人類進(jìn)行更遠(yuǎn)的深空探測(cè)的前哨和必經(jīng)之路。11月25日，嫦娥五號(hào)升空后僅一天，在?？谂e辦的“2020文昌國(guó)際航空航天論壇”上，中國(guó)國(guó)家航天局秘書長(zhǎng)許洪亮在發(fā)言中表示，后續(xù)中國(guó)將陸續(xù)實(shí)施嫦娥六號(hào)、七號(hào)、八號(hào)等任務(wù)，同時(shí)還規(guī)劃建設(shè)國(guó)際月球科研站。

他同時(shí)指出，在行星探測(cè)領(lǐng)域，“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器于今年7月23日成功發(fā)射，預(yù)計(jì)明年5月實(shí)行火星軟著陸。未來(lái)中國(guó)還將實(shí)施小天體探測(cè)、火星采樣返回、木星系及行星際穿越探測(cè)任務(wù)。

除了“仰望”更遠(yuǎn)的星空，探測(cè)月球也能讓人類“腳踏實(shí)地”，加深對(duì)古老地球的了解——地球經(jīng)歷46億年的高度演化，早期事件很少能留下蛛絲馬跡，而月球的主要演化在30 億年就已經(jīng)基本停止。

對(duì)于嫦娥五號(hào)帶回的月球樣本能夠帶給科學(xué)家怎樣的驚喜，對(duì)“大撞擊說(shuō)”“巖漿洋假說(shuō)”以及更長(zhǎng)遠(yuǎn)的深空探測(cè)和有關(guān)古老地球知識(shí)作出怎樣的貢獻(xiàn)，讓我們拭目以待。