登月50周年紀(jì)念日：月球巖石帶來重要信息

1969年7月21日，宇航員阿姆斯特朗從阿波羅11號(hào)釋放到月球的登陸艙上走向月球，然后他說了一句名言：“這是我的一小步，是人類的一大步。”到1972年，美國國家航空航天局(NASA)共執(zhí)行了7次登月任務(wù)，除了阿波羅13號(hào)因中途產(chǎn)生的故障而被迫返航之外，其余6次都獲得了成功，而且每次任務(wù)都帶回了月球的巖石與土壤。它們中一部分用于科學(xué)研究和科普教育，而其中的大部分一直被封存。

今年7月21日是人類首次登月50周年紀(jì)念日，NASA計(jì)劃在今年將啟封一小部分封存至今的月球巖石與土壤，利用現(xiàn)代技術(shù)進(jìn)行研究。

月球巖石帶來重要信息

阿波羅11號(hào)到17號(hào)任務(wù)期間，共有約382公斤月球巖石與土壤被帶回地球。同期，前蘇聯(lián)的登月探測器“月亮”系列探測任務(wù)也帶回了約0.3公斤的月球土壤樣品。這其中一小部分樣品成為地質(zhì)學(xué)家與天體化學(xué)家的重要研究對象，特別是為判定月球表面物質(zhì)的年齡提供了參考依據(jù)。

由于月球上沒有空氣，月球上的巖石和土壤受到的風(fēng)化侵蝕主要來自太陽風(fēng)和宇宙粒子輻射。它們還受到晝夜交替太陽光照帶來的熱膨脹與收縮作用，以及頻繁的隕石撞擊。后者不僅給月球表層土壤帶來了新的天外物質(zhì)補(bǔ)充，還把巖塊撞擊成細(xì)微至10—200微米的塵埃，以至于可以快速透過宇航員的宇航服而威脅到載人月球探測的安全。

月球巖石與土壤包含了豐富的月球本身、月面空間天氣環(huán)境、太陽系小天體、宇宙輻射等的豐富信息，對其研究解開了眾多關(guān)于月球本身的謎團(tuán)，也使人們獲得了許多重要成果。

這些采樣分析成果，為后續(xù)包括我國“嫦娥”月球探測工程和日本、印度的月球探測計(jì)劃實(shí)施，提供了直接參考和探測數(shù)據(jù)標(biāo)定依據(jù)。比如，使用標(biāo)定后的月表光譜成像探測數(shù)據(jù)，科學(xué)家獲得了月球表層精細(xì)的氧化鈦鐵的含量，發(fā)現(xiàn)其含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通過吸積過程生成一個(gè)固體行星的應(yīng)有含量。我國學(xué)者以此為線索重建了地球被撞擊后拋出的殼幔物質(zhì)和撞擊天體聯(lián)合構(gòu)筑形成月球的過程。另一個(gè)重要的結(jié)果是，嫦娥四號(hào)在月面南極盆地的著陸區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量橄欖石成分，它們很可能來自月球深部，因撞擊來到這里。

通過研究月球巖石，并與月球激光測距50年的結(jié)果融合比對分析，還讓人們首次確認(rèn)月球和地球一樣有殼、幔與核，這樣的內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)與地球類似。

對月球巖石的研究不僅促進(jìn)了對月球的認(rèn)識(shí)，還促進(jìn)了行星科學(xué)的發(fā)展。人們在研究了這些月球巖石與土壤之后，確定了水星與火星表面部分的年齡，確認(rèn)了木星、土星、天王星與海王星這樣的大行星在靠近太陽的地方形成、然后再向外遷移到現(xiàn)在的位置，還對一些小行星有了更深入的理解。

可以毫不夸張地說，月球上取得的巖石與土壤使人類對月球乃至于整個(gè)太陽系的了解大大加深，為人們認(rèn)識(shí)月球與太陽系天體的物理性質(zhì)甚至起源提供了非常重要的信息。

嫦娥五號(hào)也將登月取土

雖然尚未有中國人登上月球，但我國在月球巖土無人取樣這方面快速進(jìn)步。嫦娥三號(hào)于2013年12月在月球上軟著陸，通過對月球土壤的著陸探測研究，發(fā)現(xiàn)了有別于阿波羅任務(wù)采樣的新的月表礦物;同時(shí)，進(jìn)行了雨海地區(qū)分層結(jié)構(gòu)研究，重新認(rèn)識(shí)了該地區(qū)多期次玄武巖活動(dòng)特征。嫦娥四號(hào)則于2019年1月成為世界上首次在月球背面軟著陸的探測器，通過對月球土壤的著陸探測分析，深化了對南極艾肯盆地的撞擊形成過程和下月殼甚至上月幔物質(zhì)組成的認(rèn)識(shí)。這兩次任務(wù)驗(yàn)證了軟著陸的技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，嫦娥五號(hào)將在月球上軟著陸之后，獲取月球土壤。

按照計(jì)劃，嫦娥五號(hào)的著陸器將在登月后采集月球土壤，然后發(fā)射升空，與軌道器對接，將月壤帶回地球。根據(jù)設(shè)計(jì)，嫦娥五號(hào)可以帶回大約2千克位于月球表面2米深度范圍內(nèi)的月球土壤。對這些月球土壤的研究，將有力促進(jìn)人們對月球的認(rèn)識(shí)。當(dāng)前，這個(gè)計(jì)劃正在進(jìn)行之中，嫦娥五號(hào)計(jì)劃于今年年底用長征五號(hào)發(fā)射升空。

新的發(fā)現(xiàn)表明，月壤盡管缺少水，但在1噸月壤中平均含有6個(gè)礦泉水瓶的水可供提取使用。嫦娥五號(hào)著陸器采集的月球土壤將為評估其著陸區(qū)域月壤中水的含量提供直接的依據(jù)。進(jìn)一步地，可以使用地球火山灰模擬該采樣的月壤，搭建環(huán)境場所，為未來月面長期駐扎探測提供研究測試和訓(xùn)練。這項(xiàng)月壤仿真和應(yīng)用研究在我國也已經(jīng)開展了多年。

認(rèn)識(shí)月球未必要著陸

除了直接登月、取回土壤之外，人們還用其他多種方法研究月球。最符合傳統(tǒng)風(fēng)格的方式就是用地面望遠(yuǎn)鏡與繞月衛(wèi)星直接觀測月球表面。隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)越來越強(qiáng)大，用望遠(yuǎn)鏡看到的月球細(xì)節(jié)也越來越清晰。例如，1994年，NASA發(fā)射的一個(gè)繞月衛(wèi)星首次獲得了接近完整的“月圖”;1998年，NASA發(fā)射的另一個(gè)繞月衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)月球兩極的氫超過預(yù)期值，并推斷這可能是月球兩極水冰導(dǎo)致的。

中國、日本、歐洲、印度在過去分別發(fā)射多個(gè)繞月探測器探測月球。如歐洲在2004年發(fā)射的探月衛(wèi)星研究了月球表面的化學(xué)成分。中國分別于2007和2010年發(fā)射的嫦娥一號(hào)與嫦娥二號(hào)衛(wèi)星獲得了全球第一幅完整的月球影像圖以及微波亮溫圖，并進(jìn)行了世界上精度最高的月表質(zhì)填圖。NASA在2012年發(fā)射的繞月衛(wèi)星研究了月球的內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)。日本和印度在此期間也發(fā)射了各自的繞月衛(wèi)星。這些任務(wù)使人們進(jìn)一步了解了月球表面形態(tài)與化學(xué)成分以及月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得我們對月球的認(rèn)識(shí)在過去幾十年不斷深入。

認(rèn)識(shí)月球的另一個(gè)重要方法，是用類似于地震儀的儀器來探測月球的震動(dòng)，再用月震學(xué)方法來研究儀器探測到的信號(hào)。由于外太空天體的撞擊、月球部分區(qū)域的滑坡事件與月球內(nèi)部的活動(dòng)，月球上會(huì)經(jīng)常發(fā)生月震。早在1969年阿波羅11號(hào)任務(wù)期間，宇航員就在月球靜海西南區(qū)域放了月震儀。此后的幾次登月任務(wù)中，又有五個(gè)區(qū)域被放置了月震儀。這些月震儀構(gòu)成一個(gè)探測網(wǎng)絡(luò)。此后對上萬次記錄到的月震信息的研究表明，月震持續(xù)時(shí)間比地震長得多，人們也從那些月震數(shù)據(jù)中推斷出月球的分層結(jié)構(gòu)信息，包括月核、月幔與月殼的厚度與密度。

最近的一項(xiàng)研究使用了阿波羅12、14、15與16號(hào)放置的月震儀從1969年到1977年之間探測到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)月球的半徑正在縮小。

用新技術(shù)研究舊樣品

阿波羅號(hào)從月球上取回的土壤與巖石，在從月球取出的時(shí)候就用真空包裝或者放在充氦氣的容器中，此后一直存放在充氮?dú)獾沫h(huán)境中，未受到地球大氣的污染，也沒有被碰觸過。到現(xiàn)在，最久遠(yuǎn)的一批樣本被密封的時(shí)間已經(jīng)達(dá)到50年。在過去50年間，它們幾乎沒有發(fā)生變化。

現(xiàn)在，NASA正計(jì)劃重新開啟一部分保存著月球巖石與土壤的保險(xiǎn)箱，讓人們用如今最新技術(shù)研究它們。為了避免在取出的過程中被污染或者破壞，有關(guān)人員正在用實(shí)體模型來模擬取出的過程。

由于技術(shù)的進(jìn)步，人們現(xiàn)在只需要50年前用量的百萬分之一的樣品，就可以得到一樣可靠的研究結(jié)果。更重要的是，由于有了大量之前沒有的技術(shù)，人們可以從中獲得更多重要信息。