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收“快遞”!今晨嫦娥五號從月球帶回4斤“土”,里面有什么寶

12月17日凌晨,歷經10多天的太空工作,嫦娥五號攜帶來自風暴洋呂姆克山的2千克月壤返回地面。這是1976年蘇聯月球24號帶回100多克月球樣本以來,人類再一次得到來自月球的“土”。

根據嫦娥五號設定的科學目標,科學家后續將對月球樣品進行系統、長期的實驗室研究,分析月壤的結構、物理特性、物質組成,深化月球成因和演化歷史的研究。

嫦娥五號采回的相對年輕的地體樣本,有望幫助科學家推進對月球演化歷史的認識,揭開月球的身世之謎。

“大撞擊”:有關月亮形成的傳說

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

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

其中,“大撞擊說”被越來越多的科學家所接受。大約在45.6億年前太陽系誕生之初,八大行星基本成形。但太陽系的宇宙空間中,仍然“漂浮”著大大小小的星體。“大撞擊”假說認為,約在45億年前,一顆火星大小的天體撞上了原始地球。巨大的能量使整個撞擊體和地球的外圈層物質被熔融、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”,科學家采用了各種各樣的辦法。例如,上世紀六、七十年代,美國阿波羅計劃陸續從月球帶回了總重達382千克的巖石,為人類了解月球提供了的樣本。

而探測數據顯示,月球物質中揮發性組分大量丟失、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的證據。

同時,過去很長一段時間里,月球隕石也成為人類了解月球的一扇窗口。地球化學研究者通過對月球隕石阿波羅月巖樣品的研究發現,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”。

用中國月球探測工程首任首席科學家、中科院院士歐陽自遠的話說:“千真萬確,月球是地球的女兒。”

不過,阿波羅計劃在月球上取樣范圍畢竟有限,而月球隕石來源的不確定性和遙感探測獲得信息的局限性總是像“隔靴搔癢”。科學家期待,要是從月球上更多的地方挖回來的“真土”,就能夠提供更多有關“大撞擊說”的證據。

在美蘇探月之后,時隔半個世紀,嫦娥五號承擔起這一重任。經過約38萬公里、一周左右的地月轉移、近月制動、環月飛行之旅,12月1日晚間,嫦娥五號探測器穩穩降落在月球正面風暴洋北部呂姆克山、夏普月溪附近。這是中國探測器第三次在月球表面成功軟著陸,也是人類探測器首次踏足月球上的這一區域。

嫦娥五號著陸場演練畫面。(圖片來源:CCTV截屏)

“巖漿洋”:一塊重要的拼圖

自12月1日23時著陸后,嫦娥五號在月面工作近19個小時后完成月球鉆取采樣及封裝。

根據前期遙感影像資料,嫦娥五號著陸區是大約13-20億年前形成的玄武巖,不同于以往9個地點,也是最年輕的月球火山巖。和月球45億年的年齡相比,這里是非常“年輕”的地區。此前,嫦娥四號在月球背面更加古老的南極-艾特肯盆地著陸,那里被認為大約在42~43億年前形成。

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

1969年發射的“阿波羅”11號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,還帶回對月球化學成分研究至關重要的樣品——包含鈣、鋁及二氧化硅成分的“斜長巖”。

據國際學術期刊《科學》在1970年1月刊登的一篇文章,美國史密森尼天文臺的研究人員在1676塊月球巖石碎片中發現了61塊斜長巖,特別是在月球上表面明亮的高地勢地區。這些新發現給了他們極大的啟示——斜長巖的密度較小,在巖漿中能夠漂浮在頂部。

據此,他們提出一種新的月球演化模型,即巖漿洋假說。這一假說指的是,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,曾經覆蓋著漫無邊際、熾熱的巖石熔融體。好比一鍋熱湯,剛開始冷卻的時候,更重的物質橄欖石和輝石首先結晶析出,堆積在最底部,然后輕一些的斜長石結晶漂浮到月球表面聚集形成斜長巖高地。

2019年5月,就在嫦娥四號抵達月球半年后,中科院國家天文臺研究員李春來帶領的團隊在《自然》上發表相關結果。嫦娥四號在就位光譜探測中發現了來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的組成,也成為支持“巖漿洋假說”的有力證據。

另一項有力證據來自于嫦娥三號探測到的信號。當巖漿洋“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“玉兔號”發回的微量元素信息,中科院地質與地球物理研究所研究員林楊挺團隊推斷,“嫦娥三號”著陸區的玄武巖含有10-20%“克里普巖”物質。不過,要證實“克里普巖”的確存在,還需要更加確鑿的數據,比如從月球樣品中直接得到它的化學成分。

科學家期待,嫦娥五號帶回的月球樣品,將講述一個關于月球晚年的故事。年輕的風暴洋能夠更多富集鈾、釷、鉀等放射性元素,對其開展高精度年代學分析,結合微量元素和穩定同位素信息,有望對月球內部冷卻歷史及其巖漿演化晚期過程,給出更精確的描述。

絕非止步月球

自1958年開始,為探測月球,中國科學家經歷了長達35年的跟蹤調研與綜合分析世界月球與行星探測的進展與成就,開展了各類地外物質、阿波羅月球巖石和火星隕石研究。正式啟動于2004年的中國探月工程,按規劃分為“探”“登”“駐”3個階段,如今已完成第一階段“探”的“繞”“落”“回”三步,共五次任務。

目前為止,前四次探月收獲頗豐:嫦娥一號取得全月球的影像圖、月表物質成分和近月空間環境,首次獲得月球土壤層內氦-3資源的分布與資源總量;嫦娥二號完成全世界覆蓋最全、精度最高的一張全月圖及嫦娥三號著陸區1米分辨率的高精度地形圖,隨后與“圖塔蒂斯”小行星交會;嫦娥三號著陸月球虹灣區,開展“測月、觀地、巡天”探測;嫦娥四號首次實現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探測。

俄國“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,然后就是征服整個太陽系。”歐陽自遠在過去的演講和采訪中多次提到,這句話深深地打動了他。

人類絕不會僅僅止步于月球。除了了解月球本身之外,月球探測是人類進行更遠的深空探測的前哨和必經之路。11月25日,嫦娥五號升空后僅一天,在海口舉辦的“2020文昌國際航空航天論壇”上,中國國家航天局秘書長許洪亮在發言中表示,后續中國將陸續實施嫦娥六號、七號、八號等任務,同時還規劃建設國際月球科研站。

他同時指出,在行星探測領域,“天問一號”火星探測器于今年7月23日成功發射,預計明年5月實行火星軟著陸。未來中國還將實施小天體探測、火星采樣返回、木星系及行星際穿越探測任務。

除了“仰望”更遠的星空,探測月球也能讓人類“腳踏實地”,加深對古老地球的了解——地球經歷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 億年就已經基本停止。

對于嫦娥五號帶回的月球樣本能夠帶給科學家怎樣的驚喜,對“大撞擊說”、“巖漿洋假說”以及更長遠的深空探測和有關古老地球知識作出怎樣的貢獻,讓我們拭目以待。


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