嫦娥五號(hào)采回的“土特產(chǎn)”，可以用來(lái)研究些什么？

一轉(zhuǎn)眼，上個(gè)月24日才發(fā)射的嫦娥五號(hào)任務(wù)已經(jīng)速去速回，滿(mǎn)分完成了前往月球-月面采樣-月面起飛-月軌對(duì)接-返回地球的全套復(fù)雜操作。

2020年12月1日夜里，嫦娥五號(hào)著陸器上升器組合體順利著陸在月球正面風(fēng)暴洋東北部的呂姆克山一帶，并隨后在這里展開(kāi)了采樣工作。

12月17日凌晨，“四件套”里接過(guò)最后一棒的返回器，帶著珍貴的月球“土特產(chǎn)”成功降落在內(nèi)蒙古四子王旗，人類(lèi)時(shí)隔44年再次迎來(lái)月球樣品。

嫦娥五號(hào)設(shè)計(jì)了兩種“挖土”方式：

一是鉆?。和ㄟ^(guò)鉆具鉆入月表下2米深，采集0.5公斤月球地下樣品；

二是表?。和ㄟ^(guò)機(jī)械臂鏟取1.5公斤月球表面樣品。

最終，兩種方式的采樣工作都非常順利，原計(jì)劃在48個(gè)小時(shí)內(nèi)完成的月面采樣僅19個(gè)小時(shí)就完成了。

這些珍貴的月球“土特產(chǎn)”，除了一部分會(huì)用于科普和展示之外，重頭戲還是會(huì)用于科學(xué)研究。這些月球“土特產(chǎn)”，可以用來(lái)研究些啥呢？

改進(jìn)月球定年體系

月球形成于約45億年前，但具體在第幾億年里發(fā)生了什么事，卻不是那么容易搞清楚的。

對(duì)于相對(duì)年齡，我們有一些直觀(guān)而樸素的認(rèn)知。形成年代越早的區(qū)域，累積被撞出的撞擊坑就越多，也就是說(shuō)，一片撞擊坑密度更高的區(qū)域，往往比撞擊坑密度低的區(qū)域古老。

但絕對(duì)年齡就難多了，因?yàn)檫@需要把不同區(qū)域撞擊坑統(tǒng)計(jì)的密度與一些已知年齡的區(qū)域建立聯(lián)系，用后者來(lái)為前者定標(biāo)。阿波羅和月球號(hào)樣品就擔(dān)當(dāng)了這樣的橋梁作用，對(duì)這些樣品進(jìn)行放射性定年，就可以知道采樣區(qū)表面的絕對(duì)年齡，再和這些區(qū)域的撞擊坑密度一比對(duì)，一套覆蓋月球45億年的定年體系就完成了。

以這套撞擊坑定年體系為工具，我們可以進(jìn)一步確定月球上那些沒(méi)有樣品和絕對(duì)定年的區(qū)域年齡。然而，這套定年體系始終是令人疑慮的。用來(lái)定標(biāo)的阿波羅和月球號(hào)樣品大多來(lái)自月球正面中低緯度的月海區(qū)域，形成年齡集中在42～32億年前，而在這個(gè)范圍之外的月球地質(zhì)事件所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，全部是以此為錨點(diǎn)外推來(lái)的。尤其是30～10億年前這段漫長(zhǎng)的歷史，幾乎可以說(shuō)是空白。

按照目前的撞擊坑定年體系估算，嫦娥五號(hào)的采樣區(qū)表面非常年輕，年齡在 1 0億年出頭。如果對(duì)嫦娥五號(hào)樣品的放射性定年結(jié)果表明，這里確實(shí)就是這個(gè)年紀(jì)，那就有力地證明了之前的定年體系是可靠的；如果差別很大，則表明之前的定年體系需要作出大幅修正。

無(wú)論是哪種，都會(huì)讓我們對(duì)月球45億年的歷史有更準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。

月球晚期火山活動(dòng)和熱歷史

如今的月球，寒冷枯寂，除了時(shí)不時(shí)被小行星彗星撞一撞之外，幾乎沒(méi)有什么“像樣”的地質(zhì)活動(dòng)。月球太小了，內(nèi)部的熱量太容易散失了。

但曾經(jīng)的月球，也是“熱鬧”過(guò)的。三四十億年前的月球上，活躍的火山活動(dòng)噴出了大量的玄武巖，這些巖漿填充了月面低洼的區(qū)域，塑造了如今月面上廣闊的暗黑色月海。

月球上的火山活動(dòng)到底持續(xù)了多久，這取決于月球內(nèi)部“炙熱”了多久。阿波羅和月球號(hào)的樣品只體現(xiàn)了40-30億年前這段時(shí)期的火山活動(dòng)，但通過(guò)撞擊坑統(tǒng)計(jì)估算，月球上的火山活動(dòng)持續(xù)的時(shí)期遠(yuǎn)比這悠長(zhǎng)：從40億年前到近期都有。

嫦娥五號(hào)的采樣區(qū)，就是一片極其年輕的玄武巖區(qū)域。這里的樣品，有望告訴我們?cè)虑蚪冢ǖ刭|(zhì)上的“近期”，十幾億年前的那種“近期”）的火山活動(dòng)是怎樣的，月球內(nèi)部“熱”了多久，這顆小球內(nèi)部在這段無(wú)可避免的“失溫之路”上可能經(jīng)歷了些什么。

放射性元素之謎

對(duì)月球稍有觀(guān)察的盆友們一定能發(fā)現(xiàn)，月球上的月海分布得很不均勻，基本上都在正面。這是因?yàn)樵虑虻恼娴叵碌膸r漿比較多嗎？

這些月海區(qū)域原本大多是大型撞擊留下的低洼盆地，然后被玄武巖趁低而入，大塊大塊地填滿(mǎn)。所以是因?yàn)樵虑蛘娴淖矒襞璧馗喔?，有更多低地容納月海玄武巖嗎？

這些月海聚集的區(qū)域也大多對(duì)應(yīng)著月殼比較薄的地方，是因?yàn)樵虑蛘娴脑職じ?，火山熔巖更容易噴發(fā)涌出嗎？

GRAIL重力數(shù)據(jù)估算的月殼厚度，月海盆地所在的區(qū)域大多對(duì)應(yīng)于月殼較薄的區(qū)域。

然而，還有一個(gè)要素是不容忽視的：這些月海聚集的區(qū)域，也和月球上一種特殊的巖石單元分布高度吻合，那就是——克里普巖?？死锲諑r（KREEP）是一類(lèi)富鉀（K）、稀土元素（Rare-Earth Elements）和磷（P）的巖石的統(tǒng)稱(chēng)，這類(lèi)巖石常伴隨著鈾、釷等的放射性元素的富集。

許多研究推測(cè)，這些能不能都串連起來(lái)？會(huì)不會(huì)是因?yàn)樵虑蚰承┑胤接蟹派湫栽馗患?，所以那些地方特別熱，導(dǎo)致地下產(chǎn)生的巖漿更多，月殼也更薄——這些都有利于月海的形成。更熱的地方，形成的撞擊盆地也會(huì)變得更大，這會(huì)讓原本被撞的時(shí)候沒(méi)什么區(qū)別的月球正面最終形成了更多巨大的盆地?

風(fēng)暴洋就是月球上克里普巖和放射性元素最集中的地方，這塊區(qū)域還有個(gè)專(zhuān)門(mén)的名字——“風(fēng)暴洋克里普地體”（Procellarum KREEP Terrane，簡(jiǎn)稱(chēng)PKT）。著陸在風(fēng)暴洋東北部的嫦娥五號(hào)，就有可能采集到富克里普巖的樣品。

這些富放射性元素的巖石是怎么形成的？為什么剛好在月球正面富集？它們是風(fēng)暴洋中晚期火山活動(dòng)的熱量來(lái)源嗎？……對(duì)克里普巖樣品的直接研究，有望讓我們距離諸多月球之謎的答案更近一步。

“窺探”月球內(nèi)部

月海玄武巖，“前世”是誕生于月球深處的巖漿。盡管經(jīng)歷了再冷卻結(jié)晶固化的“重塑”，加之月幔物質(zhì)在上涌的過(guò)程中本身也會(huì)不斷發(fā)生演化，所以最終形成的月海玄武巖并不能等同于月幔成分——但這依然是我們了解月球內(nèi)部化學(xué)成分的鑰匙。

遙感光譜探測(cè)告訴我們，不同時(shí)期噴發(fā)的玄武巖成分是有差異的，一個(gè)常用的指標(biāo)是鐵和鈦的含量，但月海玄武巖中鐵鈦含量的高低和噴發(fā)的早晚似乎也沒(méi)有必然的相關(guān)性。那么不同鐵鈦含量的玄武巖意味著什么嗎？是來(lái)自月球不同深度的地方？或者是月球內(nèi)部的巖漿也在經(jīng)歷演化，不同時(shí)期噴發(fā)的巖漿反應(yīng)了月球內(nèi)部不同時(shí)期的化學(xué)演化產(chǎn)物？或許嫦娥五號(hào)的樣品可以給出新的線(xiàn)索。

太陽(yáng)系撞擊歷史和生命演化

更年輕的月球樣品，不僅可以幫助我們改進(jìn)月球的“編年史”，還能幫助我們修正整個(gè)太陽(yáng)系的“編年史”。這是因?yàn)楦爬?年輕的表面就意味著更多/少的小天體撞擊，而更多/少的小天體撞擊則是太陽(yáng)系動(dòng)蕩歷史的體現(xiàn)。

月球被撞得多的時(shí)期，地球火星也不可能好到哪里去，被撞不分你我，星球們都是命運(yùn)共同體。

太陽(yáng)系經(jīng)歷了怎樣的撞擊歷史？我們知道太陽(yáng)系早期的撞擊非常頻繁，火星那么大的天體撞上地球也未必罕見(jiàn)，不過(guò)幸運(yùn)的是，隨著撞擊體慢慢變少，太陽(yáng)系也慢慢趨于寧?kù)o?；蛟S正是更溫和的撞擊環(huán)境，給了地球生命生息繁衍的機(jī)會(huì)。

但這些撞擊體的大小和頻率是如何隨時(shí)間減少的，我們一直缺少近30億年內(nèi)的可靠證據(jù)。十幾二十億年前的地球生命會(huì)經(jīng)歷些什么？是一個(gè)和如今差不多溫和的撞擊環(huán)境，還是一個(gè)頻繁被撞的hard模式？嫦娥五號(hào)更年輕的樣品，有望幫助我們填補(bǔ)這段撞擊歷史，了解近30億年里的撞擊事件如何影響地球生命，甚至如何影響太陽(yáng)系中其他星球上可能誕生的生命。

除了這些，樣品可以做的科學(xué)研究還有許許多多。例如，表取和鉆取的樣品對(duì)比，可以告訴我們表層和次表層物質(zhì)有什么區(qū)別，空間風(fēng)化對(duì)月球表面物質(zhì)有什么影響，可以為遙感光譜探測(cè)定標(biāo)；樣品磁場(chǎng)的測(cè)量，可以告訴我們?cè)虑蚬糯艌?chǎng)的強(qiáng)度和樣品被磁化的時(shí)間，進(jìn)而約束月核的演化和產(chǎn)生月球磁場(chǎng)的內(nèi)部“發(fā)電機(jī)”……

當(dāng)然，這些宏大的“月球謎題”，是不可能僅僅通過(guò)某一次探測(cè)或者對(duì)某一次樣品的研究就輕易獲得答案的。探索未知的道路注定充滿(mǎn)曲折，我們唯有通過(guò)一次又一次的探索，來(lái)越來(lái)越接近答案。

怕什么真理無(wú)窮，進(jìn)一寸有一寸的歡喜。

而實(shí)地采樣最珍貴之處，在于樣品背后孕育的無(wú)限可能——那些我們現(xiàn)在還沒(méi)有想到，但隨著對(duì)樣品的深入研究而不斷發(fā)現(xiàn)新的研究方向和思路的可能性；那些隨著科技的進(jìn)步和理論知識(shí)的更新，一次又一次重新探索和認(rèn)識(shí)這些樣品的可能性；那些和過(guò)去將來(lái)的探測(cè)成果結(jié)合，擦出意想不到的新火花的可能性。

五十多年前的阿波羅樣品，直到今天還在為行星科學(xué)家們帶來(lái)新的發(fā)現(xiàn)和驚喜，相信下一個(gè)五十年，更多關(guān)于月球的謎霧，會(huì)由嫦娥五號(hào)和六號(hào)的樣品照亮。

除了“土特產(chǎn)”，還有它們

除了“挖土”本身，嫦娥五號(hào)著陸器還攜帶了降落相機(jī)、全景相機(jī)、月壤結(jié)構(gòu)探測(cè)儀、月球礦物光譜分析儀等多種科學(xué)儀器。

雖然這些儀器最重要的使命還是輔助嫦五找到更安全、更有價(jià)值的挖土地點(diǎn)，不被堅(jiān)硬的障礙物磕傷，但這些探測(cè)成果傳回地球之后，也可以用于分析著陸區(qū)一帶的月表形貌、礦物成分和淺層地下結(jié)構(gòu)。

由12個(gè)天線(xiàn)組成的豪華探月雷達(dá)陣列（月壤結(jié)構(gòu)探測(cè)儀），可以探測(cè)著陸區(qū)地下2米多深的地層結(jié)構(gòu)?

簡(jiǎn)而言之呢，就是這些儀器的探測(cè)成果，也會(huì)有科學(xué)產(chǎn)出。（科普中國(guó)）