月壤密碼

阿暉

月球表面

1731克！嫦娥五號探測器從荒涼的月球表面挖土，帶回了一份彌足珍貴的月球“土特產”，首次實現(xiàn)了我國地外天體采樣返回，使我國成為世界上第三個從月球取回樣品的國家。隨著這些月面樣品被正式交接給中科院國家天文臺，嫦娥五號任務由工程實施階段正式轉入科學研究新階段。

早在上世紀，美蘇兩國已經(jīng)用耗資巨大的月球計劃，帶回過一批月壤樣本，但中國的嫦娥五號這次帶回的月球樣本，依然引起了全球航天界和科學界的高度關注，畢竟這是自1976年8月18日后，人類時隔44年再次帶回遙遠月球的月面樣本。

這些從38萬公里外帶回地球的土壤和巖石中，究竟隱藏著怎樣的奧秘？

美蘇太空爭霸曾想“炸月球”

說起月壤，就不能不提到上世紀美蘇太空爭霸的月球探測計劃。

1957年10月4日，蘇聯(lián)將世界上第一顆人造地球衛(wèi)星送入軌道。在此之前美國一直認為他們在科技領域領先于蘇聯(lián)，而衛(wèi)星的潛在軍事價值更令美國人擔心。美國發(fā)誓要反擊。美蘇太空競賽的大幕就此拉開。

第二年1月，美國的第一顆人造地球衛(wèi)星探險者1號終于發(fā)射升空。這顆小衛(wèi)星使美國挽回了一些面子。但同年5月，蘇聯(lián)又成功地發(fā)射了飛船。1959年，蘇聯(lián)月球1號探測器發(fā)射，它是世界上第一個擺脫地球引力的飛行器;后來的月球2號成為第一個到達月面的人造物體;月球3號拍攝了第一批月球背面照片。到1965年底，蘇聯(lián)科學家科羅廖夫已領導發(fā)射成功9個月球探測器、4個金星探測器和兩個火星探測器。

1959-1966年，在美蘇兩國白熱化的月球競賽中，蘇聯(lián)人一度占盡優(yōu)勢，它的探月活動總是與一連串的“第一次”聯(lián)系在一起：第一次實現(xiàn)探測器從月球近旁飛過，第一次實現(xiàn)硬著陸，第一次拍攝到月球背面的照片，第一次實現(xiàn)月面軟著陸，第一次成功發(fā)射了環(huán)月飛行的月球衛(wèi)星，第一次獲得月壤數(shù)據(jù)等。

在1961年4月12日，蘇聯(lián)空軍少校尤里·加加林乘坐“東方號”飛船進入太空，成為世界上第一位宇航員后，美國人把目光瞄向了載人環(huán)月飛行，隨后“阿波羅”載人登月計劃啟動。

經(jīng)過幾次不載人的地球軌道飛行，1968年12月24日，阿波羅8號飛船乘員組進行了繞月飛行，美國第一次趕在蘇聯(lián)前面在探月的里程碑上刻下了自己的名字。隨后，就是1969年7月21日美國宇航員阿姆斯特朗從阿波羅11號釋放到月球的登陸艙上走向月球的“人類的一大步”。但是蘇聯(lián)繞月飛船還沒來得及載人，就過早夭折了。

從1969年至1972年底，美國共發(fā)射了七艘載人飛船進行登月飛行，除了阿波羅13號因中途產生的故障而被迫返航之外，其余6次都獲得了成功。宇航員在月面不僅帶回了月球土壤和巖石樣品，還實地拍攝了月面照片，初步揭開了月球的真實面貌。

從1958年蘇聯(lián)啟動無人月球探測計劃，到1974年最后一次發(fā)射月球探測器，先后發(fā)展了三代無人探測器，從簡單進行月球拍照到自動采取月球樣品返回地球，再到月球巡視車考察。其中月球-16號首次取回了一塊101克的月面小樣本，其后的月球20號探測器和月球24號探測器則分別采集到了55克與170克樣品。

在這段人類第一次探月熱潮中，人們僅在月球正面約占全月面積5%的區(qū)域的9個地點取樣返回，月球車在月球正面巡視勘察最遠距離僅37千米，對月球的認識還比較有限和膚淺。

聳人聽聞的是，北京大學地球與空間科學學院教授焦維新在其《月球文化與月球探測》一書中曾提到，“美蘇都想用原子彈炸月球”。據(jù)說美國學者希望用這種方式讓月面產生的拋射物能穿透地球的大氣層到達地球表面，而蘇聯(lián)的方案里是希望讓遙感儀器分析爆炸時月壤的蒸汽，獲得月壤以及月球表面成分的信息。好在這些瘋狂的方案設想最終都未能付諸實施。

蘇聯(lián)工程師在調試“人造地球衛(wèi)星一號”。

冷戰(zhàn)時期的太空爭霸，美國和蘇聯(lián)分別以有人和無人的方式各自為地球帶回了月壤，由此開啟了地球探月的新紀元。然而隨著1976年8月18日蘇聯(lián)的月球24號探測器最后一次采集月球樣本定格，世界已經(jīng) 44年之久再無更新月壤樣本，直到這次中國嫦娥五號返回艙的歸來。

月壤蘊含“寶藏密碼”

月壤可以稱得上是世界上“最貴的土”。美國的登月計劃耗費了250多億美元，而蘇聯(lián)同樣為獲取月壤耗資不菲?；诉@么大代價萬里迢迢帶回來的這些月球巖石與土壤，究竟有怎樣的研究價值？

對天文物理學家和行星科學的研究者來說，月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。由于月球上沒有大氣層，月球上的巖石和土壤受到的風化侵蝕主要來自太陽風和宇宙粒子輻射，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，給月球表層土壤帶來了新的天外物質補充。對于月壤的研究，使人類對月球乃至于整個太陽系的了解大大加深，為人們認識月球與太陽系天體的物理性質甚至起源提供了非常重要的信息。

這些來自月球的物質還可以幫助研究人員更精準地確定地球、火星和水星等行星表面的年代。中國科學院空間應用工程與技術中心研究員，中國載人航天工程運行與管理支持中心應用發(fā)展中心主任張偉透露，月球形成的“撞擊假說”認為，它形成于一次地球與一個火星般大小的天體撞擊所產生的碎片。月球保存了最早期地球的一些性狀。地球也遭受過很多撞擊，但是后面由于地質作用都破壞掉了。而在月球上，很多撞擊歷史都被完整保持了下來，“我們探索月球，去找它的撞擊歷史，實際上是想認識月球的起源和演化，從而推演地球的起源和演化，進而推出太陽系的起源和演化”。

中國的嫦娥三號于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采樣的新的月表礦物;同時，進行了雨海地區(qū)分層結構研究，重新認識了該地區(qū)多期次玄武巖活動特征。嫦娥四號則于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組成的認識。而這次嫦娥五號采集的樣品，可以填補科學家對月球火山活動理解上的一個重要空白。

其實，對于月壤的研究價值，除了知道星球的活動和起源等，一種重要的元素也是多次嫦娥計劃的主要目的，那就是氦-3。

氦-3在宇宙中比較常見，它從恒星里產生出來，然后作為一種宇宙射線釋放到太空中。地球上的氦-3不多，但是月球上卻是多得很，主要來自太陽風。氦-3的核聚變會釋放出強大的能量，但不產生有害的放射性中子，被科學家認為是最理想的一種清潔能源。多年前，中國科學院院士、中國月球探測計劃首席科學家歐陽自遠曾多次在上海科協(xié)舉辦的科普報告會上透露，月球上的氦-3在月球上大概有100萬-500萬噸，這將是人類社會長期穩(wěn)定、安全、清潔、廉價的可控核聚變的能源原料，可供人類上萬年的能源需求。當然，按照月球表面氦-3的平均濃度，至少要在150噸月球土壤里才能提取到1克氦-3，要實現(xiàn)開采還有很長的路要走。

此外，研究月壤也是為建立月球基地做準備，這是登陸火星的跳板。此前對月壤的新的研究發(fā)現(xiàn)表明，月壤盡管缺少水，但在1噸月壤中平均含有6個礦泉水瓶的水可供提取使用。嫦娥五號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練。這項月壤仿真和應用研究在我國也已經(jīng)開展了多年。

中國取得的月壤更“年輕”

嫦娥五號任務，首次實現(xiàn)了探月器于月球表面完成自動化、無人化采樣。中國航天科技集團所屬中國空間技術研究院的設計師采用表鉆結合、多點采樣的方式，實現(xiàn)了月球采樣鉆取和表取兩種“挖土”模式。

“在月球表面鉆探取樣獲得巖芯，這是最大的期待之一。”行星科學專家、中國科學院國家天文臺研究員鄭永春博士表示，“巖芯是一層一層堆積起來的，記錄著月壤不斷翻轉、掩埋、堆積的過程，而我們只有通過巖芯樣品才能更好地知道月壤形成過程?！鄙弦淮卧虑蜚@探取樣已經(jīng)是在上世紀六七十年代美國“阿波羅”登月計劃時期了，深度也尚淺。

更關鍵的是，之前帶回的月球樣品，大多來自月球正面中低緯度的月海區(qū)域，形成年齡集中在32億-42億年前，而嫦娥五號此次是在月球上最大的月?！L暴洋北部的呂姆克山脈附近降落并實施采樣，這個地區(qū)形成年齡大概是10億-20億年前。過去，從未有人類或是探測器到訪此處。

換句話說，40多年前美國阿波羅計劃和蘇聯(lián)探測器采集的月球樣本大多是形成于30億到40億年前的巖石，而嫦娥五號采樣區(qū)域地質年代較短，巖石更“年輕”。 這無疑將填補月球地質定年的一大空白。通過研究這些樣品，科學家可以反演出這一區(qū)域的形成過程，進而增進對月球成因、演化歷程的科學認知。

12月17日，在中國航天科技集團五院，科研人員打開嫦娥五號返回器艙門，取出裝有月球樣品的容器并進行稱重。

美國布朗大學地質科學教授詹姆斯·黑德認為：“嫦娥五號在月球表面的著陸區(qū)是月球最值得探索的區(qū)域之一，研究這個區(qū)域可以幫助科研人員確認10億至20億年前月球是否仍處于活火山狀態(tài)?！?/p>

此前在美蘇獲取的月壤樣本中，科學家們就已經(jīng)針對月球表面活動等研究取得重大進展，而嫦娥五號帶回來的樣本則有可能帶來更多探索月球的價值，改寫月球歷史。

中國愿合作共享月壤數(shù)據(jù)

1978年5月，時任美國總統(tǒng)卡特的國家安全事務顧問布熱津斯基訪問中國，贈送給中國一塊僅有一克重的月球巖石樣品。國家決定一半用于科研、一半向公眾展出。這份真正來自月球的禮物被當時正在開展行星科學研究的歐陽自遠視若珍寶。拿著0.5克樣品，歐陽自遠和全國各實驗室的同事們用了4個多月發(fā)奮研究，很快就發(fā)表了14篇論文。那時，歐陽自遠的夢想就是能有一塊中國自己采回來的月壤。

從年輕的科研人員到白發(fā)蒼蒼的老院士，中國月球探測工程首任首席科學家歐陽自遠，終于圓了這個夢。歐陽自遠回憶：“當年把樣品取回來后看到，這是一塊裝在有機玻璃里面的小石頭，美國人在上面做了一個放大鏡，用放大鏡看像大拇指一樣大，但實際只有黃豆一般大小?！彼f：“僅研究這0.5克石頭，我們就組織了全國十幾家研究所的科研人員，在各方面共同努力下，破解了隕石中包含的物質元素隱藏的所有身份密碼?！?/p>

其實，當時美國把這樣的標本，分給了全球135個主要國家和地區(qū)，還有自己的50個州和海外領地。表面上美國打著“全人類共享月球”的旗號贈送月球標本，可實際上，總共送出去的標本才6.75克。

嫦娥5號剛升空沒多久，美國宇航局（NASA）迫不及待地發(fā)出一條推文表示：希望中國能夠分享嫦娥5號月球樣品研究成果，就像美國當年阿波羅號計劃那樣。美國已經(jīng)有這么多月壤標本，為什么要提出對于中國取得的月壤進行分享？無疑，中國此次取得的月面標本，研究價值非常高。

不過在12月17日國務院新聞辦公室召開新聞發(fā)布會上，當美國記者問到中方是否會將月球土壤數(shù)據(jù)分享給美國NASA時，我國航天局給出明確回應：這其實并不是由中方能決定的。

原因很簡單。美國在2011年通過了“沃爾夫條款”，明確限制NASA、美國國務院科學委員會等機構與中國航天科技產生“交集”、往來。所以美國NASA要想與中國合作，并不取決于中國的態(tài)度，而是要美國上下能否達成共識。做到平等互利、合作共贏。潛臺詞很明確，美國NASA若繞不開“沃爾夫條款”的束縛，不是中國不愿與NASA合作、共享信息，而是美國自己把合作的路給“堵死了”。

當然，我國航天局的表態(tài)也很明確：我國會遵守聯(lián)合國《外空條約》，認同外空資源是屬于全人類的財富。毫無疑問，這一次帶回來的2公斤月球土同樣屬于全人類。中國愿意與任何志同道合的國家與機構合作，并且共享月球土壤樣本和探月過程中產生的數(shù)據(jù)。