嫦娥五號(hào)探測(cè)器成功帶回月球巖石

Mitch Leslie

Senior Technology Writer

在2020年12月對(duì)月球開(kāi)展快速探測(cè)之后，中國(guó)的嫦娥五號(hào)任務(wù)成功攜帶新鮮月球巖石（簡(jiǎn)稱(chēng)月巖）和月球土壤（簡(jiǎn)稱(chēng)月壤）樣本返回地球，這是繼1976年以來(lái)首次成功的“采樣返回”任務(wù)[1]。本次采集的樣本來(lái)自之前尚未取樣過(guò)的火山位置，可能會(huì)幫助人類(lèi)了解月球演變以及太陽(yáng)系歷史。位于美國(guó)羅得島州普羅維登斯市的布朗大學(xué)的地質(zhì)科學(xué)教授Jim Head表示，本次任務(wù)還表明中國(guó)太空計(jì)劃的技術(shù)成熟度達(dá)到了一個(gè)新的高度，并為未來(lái)從太陽(yáng)系其他天體返回樣本的探索活動(dòng)提供了藍(lán)圖。

在20世紀(jì)60年代和20世紀(jì)70年代的多次任務(wù)中，美國(guó)阿波羅計(jì)劃的宇航員將382 kg月巖和月壤帶回地球[2]。在1970—1976年，三架蘇聯(lián)無(wú)人宇宙飛船將約0.3 kg的樣本帶回地球[2]。多年來(lái)，科學(xué)家一直在研究此類(lèi)物質(zhì)，以探究諸如月球如何形成，月球表面如何因抵御太空輻射而出現(xiàn)風(fēng)化，甚至月壤是否含有致命微生物之類(lèi)的問(wèn)題（顯然并未含有此類(lèi)微生物）[3,4]。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）剩余的300 kg樣本可供科學(xué)家申請(qǐng)研究，并且2019年，該機(jī)構(gòu)開(kāi)放了自20世紀(jì)70 年代初以來(lái)一直未公開(kāi)的巖石藏品的使用權(quán)[5,6]。

不過(guò)，額外的中國(guó)樣本可能會(huì)提供大量新數(shù)據(jù)，幫助研究月球的不同區(qū)域。阿波羅任務(wù)在6個(gè)地點(diǎn)采集了樣本[7]，而蘇聯(lián)探索任務(wù)又探測(cè)了另外三個(gè)地點(diǎn)[8]。美國(guó)華盛頓特區(qū)卡內(nèi)基科學(xué)研究所（Carnegie Institution for Science）的地球和行星實(shí)驗(yàn)室主任、地球化學(xué)家Richard Carlson表示：“我們探索了月球的一小部分，以至于我們的印象因擁有少量樣本而存在很大偏差?！贝送?，美國(guó)馬薩諸塞州南哈德利霍利奧克山學(xué)院（Mount Holyoke College）的天文學(xué)教授Darby Dyar表示，分析技術(shù)的飛速發(fā)展，如探測(cè)化學(xué)成分所用的更強(qiáng)大的同步加速器光束[9]，允許從更少量（幾微克）的月球物質(zhì)中提取更多信息。她表示，研究人員現(xiàn)在可以進(jìn)行測(cè)量，“而在20年前，我們只能做夢(mèng)”。

中國(guó)已發(fā)射了四次月球探測(cè)任務(wù)，最近一次是嫦娥四號(hào)著陸器及其攜帶的月球車(chē)，它們?nèi)栽谔剿髦拔粗脑虑虮趁鎇10,11]。但嫦娥五號(hào)比它的“前輩”執(zhí)行了更復(fù)雜的機(jī)動(dòng)操作，需要更精確的控制。飛船的四個(gè)組件（圖1）于2020年11月23日升空，并于2020年11月28日進(jìn)入月球軌道[12]。在與飛船的其他兩個(gè)部分分離后，嫦娥五號(hào)的上升器和著陸器（圖2）于2020年12月1日降落在月球表面（圖3），并在接下來(lái)的兩天里挖掘和鉆取了1.7 kg的巖石和月壤。然后，上升器攜帶樣本升空，并將它們傳遞至返回艙，該返回艙離開(kāi)月球軌道并于2020年12月16日通過(guò)降落傘返回地球[1]。

Head表示：“嫦娥五號(hào)登陸月球并返回樣本的能力與當(dāng)年蘇聯(lián)有很大差異?！碧K聯(lián)飛船直接升空返回地球，因此它們僅限于在月球正面位置進(jìn)行探測(cè)。相比之下，嫦娥五號(hào)上升器在軌道上與返回艙會(huì)合。這意味著使用這種策略的未來(lái)收集任務(wù)可在月球的任何位置著陸，包括從未進(jìn)行過(guò)采樣的月球背面。Head表示：“這可是件大事?！?/p>

圖1. 嫦娥五號(hào)（右）的四個(gè)組件與搭載嫦娥五號(hào)組件進(jìn)入太空的長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭分離的場(chǎng)景。嫦娥五號(hào)飛往月球，并于2020年12月1日著落月球。圖片來(lái)源：China News Service (CC BY 3.0)。

圖2. 嫦娥五號(hào)著陸器和上升器矗立在呂姆克山（Mons Rümker）附近著陸點(diǎn)的月球表面上。上升器將1.7 kg月球物質(zhì)送入軌道，然后將其轉(zhuǎn)移至嫦娥五號(hào)的返回艙，以便返回地球。圖片來(lái)源：China News Agency (CC BY 3.0)。

嫦娥五號(hào)的軌道傳送也為即將從太陽(yáng)系其他地方返回樣本的嘗試提供經(jīng)驗(yàn)。在過(guò)去20年里，一小部分機(jī)器人任務(wù)從彗星和小行星收集了樣本。例如，2020年美國(guó)國(guó)家航空航天局的“奧西里斯-雷克斯”（OSIRIS-REx）航天器從小行星貝努（Bennu）上抓取了物質(zhì)，并將于2023年返回地球[13]。樣本返回任務(wù)的下一個(gè)目的地為火星。2021年2月，美國(guó)國(guó)家航空航天局“毅力號(hào)”火星車(chē)降落在火星上[14]，與自2018年以來(lái)一直在火星上開(kāi)展工作的“洞察號(hào)”著陸器匯合[15]。“毅力號(hào)”探測(cè)器會(huì)在美國(guó)國(guó)家航空航天局未來(lái)發(fā)射的航天器上保存火星表面樣本，并且歐洲航天局（European Space Agency）會(huì)獲得樣本并再次通過(guò)軌道轉(zhuǎn)移技術(shù)將樣本送回地球[16]。Head表示，嫦娥五號(hào)“是對(duì)國(guó)際火星返回任務(wù)進(jìn)行的彩排”。

圖3. 月球表面近景。幾乎看不到1300 m高的呂姆克山（其位于圖片右上角的隆起處）。圖片來(lái)源：China National Space Administration (public domain)。

中國(guó)計(jì)劃保留大部分月球樣本，但會(huì)與國(guó)外科學(xué)家分享一些樣本[17]。Dyar表示，盡管其中一部分物質(zhì)將被用于宣傳教育，如提供給中國(guó)國(guó)家博物館進(jìn)行展出的一部分物質(zhì)[18]，但用于科學(xué)分析的樣本數(shù)量“簡(jiǎn)直就是一座金礦”。例如，新鮮樣本可幫助研究人員完善對(duì)月球歷史的了解?？茖W(xué)家可從月球所包含的隕石坑的數(shù)量來(lái)估算月球某個(gè)位置的年齡，隕石坑越多，其年齡就越大，并且阿波羅任務(wù)和登月任務(wù)獲得的物質(zhì)有助于校準(zhǔn)其年代測(cè)定[19]。嫦娥五號(hào)采樣地點(diǎn)位于名為呂姆克山的山脈附近，可能只有10億年的歷史，比阿波羅任務(wù)和蘇聯(lián)任務(wù)探索的地點(diǎn)年輕20億年[20]。Dyar表示：“這給我們提供了另一個(gè)檢查隕石坑年代的時(shí)間點(diǎn)?！?/p>

嫦娥五號(hào)的樣本也可能揭示有關(guān)月球火山活動(dòng)的新信息。研究人員認(rèn)為，大多數(shù)火山噴發(fā)活動(dòng)在30億年前停止，但是飛船著陸處的火山平原形成時(shí)間比這個(gè)時(shí)間要晚得多[21]。Head表示，樣本可表明高水平放射性或其他因素是否使得這一地區(qū)的火山活動(dòng)得以繼續(xù)。Carlson表示，航天器搭載的設(shè)備還可幫助檢驗(yàn)有關(guān)早期太陽(yáng)系的假設(shè)。由于阿波羅任務(wù)獲得的許多巖石年齡都差不多，一些科學(xué)家提出，大約39億年前太陽(yáng)系內(nèi)部被太空碎石撞擊過(guò)（這一事件被稱(chēng)為晚期重度轟擊事件）[22]。但最近的一些研究已對(duì)這一想法提出質(zhì)疑，并且嫦娥五號(hào)的樣本可提供這方面的相關(guān)數(shù)據(jù)。

隨著飛行器的第四部分（即樣本收集過(guò)程中繼續(xù)繞月球飛行的軌道器）移動(dòng)至太空中可觀察太陽(yáng)或開(kāi)展其他研究的位置，嫦娥五號(hào)的任務(wù)會(huì)繼續(xù)進(jìn)行下去[23]。Head表示，除潛在的科學(xué)回報(bào)外，將航天器機(jī)動(dòng)至此位點(diǎn)并保持在那里可讓航天器操作員在指揮、控制和遙測(cè)方面獲得更多經(jīng)驗(yàn)。他表示：“中國(guó)正充分開(kāi)展這次任務(wù)?！?/p>

其他未實(shí)施的任務(wù)將使科學(xué)家在不久的將來(lái)獲得更多月巖。計(jì)劃于2023年或2024年發(fā)射的嫦娥六號(hào)將從月球南極帶回樣本，這非常有趣，因?yàn)檫@里的樣本含有大量水[24,25]。盡管此類(lèi)物質(zhì)如何返回地球尚不明晰[27]，但美國(guó)國(guó)家航空航天局已與四家私人公司簽約，以便在月球上收集樣本[26]。美國(guó)國(guó)家航空航天局的宇航員計(jì)劃在2024年登陸月球并帶回更多科研材料[28]。同時(shí)，研究人員將忙于分析嫦娥五號(hào)提供的新鮮樣品。Carlson表示：“我很期待看到他們帶回來(lái)什么?！?/p>