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2023-07-31 01:58:54李獻(xiàn)華
科學(xué)中國人 2023年7期
文 李獻(xiàn)華
2020年12月17日，“嫦娥五號”月球探測器攜帶著從月球采集到的1731克月壤樣品成功返回地球。這是人類時(shí)隔44年后再次將月球樣品帶回地球，也使我國成為世界上第3個(gè)將月球樣品帶回地球的國家。月壤是月球上最重要的資源，對月壤的研究將為人類進(jìn)一步了解行星起源、探索宇宙奧秘、開展星際探測提供重要信息。這些月壤能為我們揭開地月系統(tǒng)的奧秘，而它又能為人類通過月球這個(gè)跳板邁入深空提供哪些有價(jià)值的信息？
月球?yàn)槭裁磳θ祟愑腥绱舜蟮奈?/h2>
李獻(xiàn)華院士
太空競賽開啟了蘇聯(lián)和美國在航天領(lǐng)域的力量爭奪，進(jìn)而也推動了航天科技的進(jìn)步。1957年10月4日，蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克一號”，之后又將第一只地球生物流浪狗“萊卡”送往太空。1969年7月20日，阿姆斯特朗和奧爾德林成為首次登上月球的人類，人類在另外一個(gè)星球上留下了腳印。阿姆斯特朗也留下了一句載入史冊的話：“這是個(gè)人的一小步，卻是人類的一大步?！睆?969年到1972年美國相繼成功發(fā)射了阿波羅12、14、15、16、17號飛船，先后共有12名宇航員成功登月，共采集了382公斤的月球樣品返回地球。“阿波羅計(jì)劃”歷時(shí)約11年，前后共有2萬多個(gè)工廠、200多所大學(xué)、幾十萬人參加，可以說是動用了舉國的力量。所以說“阿波羅計(jì)劃”是世界航天史上具有劃時(shí)代意義的一個(gè)重大成就，它開啟了月球研究的新時(shí)代。“阿波羅計(jì)劃”和“月球計(jì)劃”帶回的月球樣品為人類在地面實(shí)驗(yàn)室分析、研究月球提供了珍貴的樣品，科學(xué)家通過分析這些帶回的樣品獲得了大量數(shù)據(jù)和成果，對科學(xué)認(rèn)識月球起到了關(guān)鍵作用。如今，俄羅斯和美國都提出了重啟“月球計(jì)劃”，其他一些國家也開始加入新一輪的月球探測潮流。我國月球探測工程，又稱為“嫦娥工程”，于2004年3月1日正式啟動?！版隙鸸こ獭惫卜譃椤盁o人月球探測”、“載人登月”和“建立月球基地”3個(gè)階段。作為中國啟動的第一個(gè)探月工程，一期任務(wù)是實(shí)現(xiàn)環(huán)繞月球探測；二期任務(wù)是實(shí)現(xiàn)月面軟著陸和自動巡視勘察；三期任務(wù)是實(shí)現(xiàn)無人采樣返回，整個(gè)計(jì)劃歷時(shí)20年。目前，探月工程的“繞”“落”“回”3個(gè)階段已經(jīng)全部圓滿實(shí)現(xiàn)。
人類探索月球奧秘的關(guān)鍵一步
實(shí)現(xiàn)月球采樣，是人類探索月球奧秘的關(guān)鍵一步。1969年，美國“阿波羅11號”兩名宇航員到達(dá)月球，實(shí)現(xiàn)人類對月球的實(shí)地考察和樣品采集。自此之后美國又陸續(xù)發(fā)射多個(gè)飛船將宇航員送往月球，并攜帶了大量的月巖、月壤返回地球。這些月球樣品幫助人類進(jìn)一步分析和了解了月球的奧秘。
通過對“阿波羅計(jì)劃”返回的樣品進(jìn)行研究，我們獲得了哪些重要的新知識呢？答案是關(guān)于月球的起源。在“阿波羅計(jì)劃”之前，人們對月球的起源有很多假說和猜想。第一種是地球分裂說，這種學(xué)說認(rèn)為月球是從地球甩出去的，還有人說甩出去那個(gè)坑在太平洋?，F(xiàn)在我們知道太平洋沒那么“老”，太平洋歷史總共不過六七億年。第二種是地-月共增生說，這種觀點(diǎn)認(rèn)為早期的星球是通過一些星際塵埃慢慢增生起來的，地球和月球是一起增生的，一個(gè)大一個(gè)小。第三種是地球捕獲說，地球比月球大，月球質(zhì)量很小，在飛翔的時(shí)候被地球捕獲了。但是這些假說其實(shí)都很難成立，比如說前面兩個(gè)假說都沒辦法解釋地月系統(tǒng)有非常大的角動量，也沒辦法解釋月球和地球早期存在巖漿洋，而地球捕獲說就更難解釋月球的一些化學(xué)和同位素的成分特征。通過對“阿波羅計(jì)劃”返回的樣品進(jìn)行研究，我們很快認(rèn)識到這些假說是不對的，現(xiàn)在得到的認(rèn)識是——月球是通過大撞擊形成的。差不多在45億年之前有一個(gè)和現(xiàn)在火星大小差不多的星球撞到原始地球上，這個(gè)星球被起了個(gè)名字叫“忒伊亞”，它撞上原始地球之后甩出了很多的固體碎屑和一些液體熔漿，甩出來的這些東西就形成了一個(gè)熔漿碎屑盤圍繞著地球，最后凝聚形成了月球。早期的時(shí)候它是個(gè)巖漿海，全是熔漿，只有內(nèi)部有一點(diǎn)點(diǎn)金屬核，相當(dāng)于月核，絕大多數(shù)都是巖漿海。這個(gè)巖漿海冷卻就要結(jié)晶，先結(jié)晶一種暗色的富含鐵鎂的礦物——橄欖石灰石。這些礦物很重，它們就沉下來了，慢慢形成了月幔。同時(shí)還會結(jié)晶一些長石，主要是斜長石，斜長石的比重比較輕，它會浮上來，浮上來之后就形成了我們看到的月殼。
月球還有哪些未解之謎
2021年7月12日，“嫦娥五號”第一批月球科研樣品正式發(fā)放給國內(nèi)13家科研機(jī)構(gòu)，中國科學(xué)院取得了其中5克樣品。這5克月壤能告訴我們什么？
大家很好奇，月壤和地球上的土壤有什么相同和不同呢？甚至有人問，月壤可不可以拿來種菜？相同之處就是月壤、土壤都很細(xì)，土壤基本上是由黏土、礦物巖石碎屑，還包括空氣、水、有機(jī)質(zhì)、微生物組成的。黏土是很有特點(diǎn)的一種礦物，它能夠吸收大量的水，地球的土壤能夠蓄水也能供水，所以就能成為植物生長的一種介質(zhì)，同時(shí)土壤還能調(diào)節(jié)地球的大氣。而月壤里面則沒有這些元素，月球上不靠月壤種菜，月球上種菜關(guān)鍵是要有水。地球上種菜需要水、光照、溫度，空氣里的主要成分二氧化碳，還要有光合作用和養(yǎng)分。其實(shí)土壤不那么重要，因?yàn)榭梢杂脽o土栽培的方式來培養(yǎng)植物。“嫦娥四號”發(fā)射的時(shí)候裝了一個(gè)不到3公斤的載荷，這個(gè)載荷里放了一些植物的種子，如棉花、馬鈴薯等的種子，還放了一點(diǎn)點(diǎn)酵母和果蠅等，還放了一點(diǎn)空氣，放了18克的水，這形成了一個(gè)小小的生態(tài)系統(tǒng)。這個(gè)載荷隨著“嫦娥四號”發(fā)射到月球的背面，到了第9天，棉花種子發(fā)芽了，長出一片綠葉，這是月球上的第一片綠葉。所以月球環(huán)境是可以長出植物的，但不是靠月壤來做這個(gè)事情。月壤不能種菜，那月壤為什么重要？我們?yōu)槭裁椿ㄟ@么大力氣去采樣？
月球資源的多樣性是不如地球的。地球形成的時(shí)候只有60種礦物，現(xiàn)在礦物種類超過了5000種，地球的演化歷史使礦物不斷地發(fā)展和演化，所以是多樣性的。那么月球現(xiàn)在有多少種礦物呢？大概就100種，跟45億年前的地球差不多，稍微多一點(diǎn)點(diǎn)，這跟月球演化的歷史是有關(guān)系的。月球演化歷史比較短，它的多樣性就差些。所以月球的資源最重要的是月壤，為什么這么說？月球是真空的環(huán)境，沒有大氣，所以太陽風(fēng)注入都要保存在月壤里面。太陽風(fēng)最主要成分就是氫和氦，所以月球的氫和氦-3非常多。而地球不是這樣——大氣圈保護(hù)了地球，它使得地球更安全，要不然在太陽風(fēng)的輻射下人類生存都存在問題，它把太陽輻射進(jìn)來的氫和氦-3擋住了。所以月球資源和月球的演化歷史及它的星球演化特點(diǎn)是有關(guān)系的。月壤里面的礦物、巖石、碎屑、玻璃、角礫等，都記錄了很多重要信息，包括月球形成演化的年代，月球火山活動的記錄，月球的月殼、月幔的物質(zhì)組成特征，以及水和揮發(fā)分的分布和來源，包括月球的磁場、月球的太空風(fēng)化作用，還有隕石撞擊的歷史和月球的資源等，這些都特別重要。這些月壤能夠?yàn)檐壍肋b感和原位的就地測量提供實(shí)際樣品的檢驗(yàn)，否則我們永遠(yuǎn)只能得到一些間接數(shù)據(jù)。
月球?yàn)槭裁词巧羁仗綔y的起點(diǎn)
人們經(jīng)常用“火力壯”來形容一個(gè)人具有生命活力。對于月球而言，巖漿活動是證明月球生命力的重要特征。此前對美國“阿波羅計(jì)劃”樣品的研究結(jié)果表明，月球在30億年前就已經(jīng)成為一顆死亡的星球，為什么“嫦娥五號”帶回的月球樣品“改寫”了月球的壽命？月球到底“死于”何時(shí)？同樣是去月球“挖土”，“嫦娥五號”和“阿波羅計(jì)劃”所取得的月壤有何不同？
2022年3月24日，《自然》雜志發(fā)了一篇評論文章，文章題目是《中國首批月球巖石點(diǎn)燃了研究熱潮》，這篇文章說到“嫦娥五號”返回樣品為了解月球的演變提供了令人振奮的信息。那么“嫦娥五號”到底提供了哪些重要信息？這些研究結(jié)果有什么重要意義呢？第一，我們測算出“嫦娥五號”帶回的玄武巖的年齡是21億年，這是準(zhǔn)確、精確的年齡。它比過去的數(shù)據(jù)至少晚了8億年，也就是說我們的研究結(jié)果將月球的火山活動結(jié)束時(shí)間推遲了8億年，給月球這個(gè)星球延壽了8億年。第二，我們發(fā)現(xiàn)這些玄武巖是來自克里普地體，過去認(rèn)為克里普地體月球表面放射性元素很高，可是測量結(jié)果告訴我們克里普地體的深部月幔這些放射性生熱元素不高。所以我們要重新考慮一下，克里普地體到底下面是不是有富含放射性生熱元素的克里普地體組分？第三，“嫦娥五號”帶回玄武巖的水含量很低，月幔也很干。月幔為什么會這么干？我們認(rèn)為是月幔多次熔融，把水慢慢抽干了，變得越來越干，逐漸貧水。
我國有一個(gè)深空探測的重大專項(xiàng)，這個(gè)重大專項(xiàng)里面包含兩方面內(nèi)容。一個(gè)是探月工程，我們已經(jīng)順利完成探月1期、2期、3期，現(xiàn)在正在執(zhí)行探月4期。探月4期有3個(gè)任務(wù)，其中一個(gè)是“嫦娥六號”的任務(wù)，我們要到月球的背面去采樣，去研究月球早期的地質(zhì)演化歷史。另一個(gè)也設(shè)計(jì)了“嫦娥七號”的任務(wù)，“嫦娥七號”將在月球南極登陸，勘查那個(gè)地方月球的水冰和礦物資源。“嫦娥八號”的任務(wù)是協(xié)同“嫦娥七號”完成任務(wù)，它最重要的任務(wù)是為國際月球科研站建設(shè)積累科學(xué)和技術(shù)的基礎(chǔ)。這個(gè)重大專項(xiàng)還有一部分是做行星探測的，“天問1號”已經(jīng)發(fā)射成功了，目前在軌運(yùn)行；“天問2號”計(jì)劃在2025年左右發(fā)射。另外“天問3號”是做火星采樣返回的，“天問4號”是要完成木星及其冰衛(wèi)星的探測任務(wù)，這兩個(gè)任務(wù)都還在計(jì)劃中。國際月球科研站由我國主導(dǎo)、多國參與，目前還在論證階段。我們的規(guī)劃是分3個(gè)階段做這件事情，一個(gè)是勘查，這個(gè)由探月4期來做，后面的是建設(shè)，最后是使用，我們計(jì)劃在2036年到2045年，能夠使用國際月球科研站來進(jìn)行科學(xué)研究、技術(shù)實(shí)驗(yàn)、資源開發(fā)利用。月球空間站不僅是去開發(fā)資源的，它還有很多用處。月球是一個(gè)微重力場，它的重力只有地球的1/6，所以有些在地球上不能做的事情，月球上可以做。特別在月球背面，它不受地球一些信號的影響，做一些天文學(xué)的觀察是最佳的地方。月球探測和研究具有多方面的價(jià)值，是人類認(rèn)識地月系統(tǒng)、邁向深空的起點(diǎn)，宇宙深空奧秘?zé)o窮，探索也永無止境。
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通過對“阿波羅計(jì)劃”返回的樣品進(jìn)行研究，我們獲得了哪些重要的新知識呢？答案是關(guān)于月球的起源。在“阿波羅計(jì)劃”之前，人們對月球的起源有很多假說和猜想。第一種是地球分裂說，這種學(xué)說認(rèn)為月球是從地球甩出去的，還有人說甩出去那個(gè)坑在太平洋?，F(xiàn)在我們知道太平洋沒那么“老”，太平洋歷史總共不過六七億年。第二種是地-月共增生說，這種觀點(diǎn)認(rèn)為早期的星球是通過一些星際塵埃慢慢增生起來的，地球和月球是一起增生的，一個(gè)大一個(gè)小。第三種是地球捕獲說，地球比月球大，月球質(zhì)量很小，在飛翔的時(shí)候被地球捕獲了。但是這些假說其實(shí)都很難成立，比如說前面兩個(gè)假說都沒辦法解釋地月系統(tǒng)有非常大的角動量，也沒辦法解釋月球和地球早期存在巖漿洋，而地球捕獲說就更難解釋月球的一些化學(xué)和同位素的成分特征。通過對“阿波羅計(jì)劃”返回的樣品進(jìn)行研究，我們很快認(rèn)識到這些假說是不對的，現(xiàn)在得到的認(rèn)識是——月球是通過大撞擊形成的。差不多在45億年之前有一個(gè)和現(xiàn)在火星大小差不多的星球撞到原始地球上，這個(gè)星球被起了個(gè)名字叫“忒伊亞”，它撞上原始地球之后甩出了很多的固體碎屑和一些液體熔漿，甩出來的這些東西就形成了一個(gè)熔漿碎屑盤圍繞著地球，最后凝聚形成了月球。早期的時(shí)候它是個(gè)巖漿海，全是熔漿，只有內(nèi)部有一點(diǎn)點(diǎn)金屬核，相當(dāng)于月核，絕大多數(shù)都是巖漿海。這個(gè)巖漿海冷卻就要結(jié)晶，先結(jié)晶一種暗色的富含鐵鎂的礦物——橄欖石灰石。這些礦物很重，它們就沉下來了，慢慢形成了月幔。同時(shí)還會結(jié)晶一些長石，主要是斜長石，斜長石的比重比較輕，它會浮上來，浮上來之后就形成了我們看到的月殼。
月球還有哪些未解之謎
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月球資源的多樣性是不如地球的。地球形成的時(shí)候只有60種礦物，現(xiàn)在礦物種類超過了5000種，地球的演化歷史使礦物不斷地發(fā)展和演化，所以是多樣性的。那么月球現(xiàn)在有多少種礦物呢？大概就100種，跟45億年前的地球差不多，稍微多一點(diǎn)點(diǎn)，這跟月球演化的歷史是有關(guān)系的。月球演化歷史比較短，它的多樣性就差些。所以月球的資源最重要的是月壤，為什么這么說？月球是真空的環(huán)境，沒有大氣，所以太陽風(fēng)注入都要保存在月壤里面。太陽風(fēng)最主要成分就是氫和氦，所以月球的氫和氦-3非常多。而地球不是這樣——大氣圈保護(hù)了地球，它使得地球更安全，要不然在太陽風(fēng)的輻射下人類生存都存在問題，它把太陽輻射進(jìn)來的氫和氦-3擋住了。所以月球資源和月球的演化歷史及它的星球演化特點(diǎn)是有關(guān)系的。月壤里面的礦物、巖石、碎屑、玻璃、角礫等，都記錄了很多重要信息，包括月球形成演化的年代，月球火山活動的記錄，月球的月殼、月幔的物質(zhì)組成特征，以及水和揮發(fā)分的分布和來源，包括月球的磁場、月球的太空風(fēng)化作用，還有隕石撞擊的歷史和月球的資源等，這些都特別重要。這些月壤能夠?yàn)檐壍肋b感和原位的就地測量提供實(shí)際樣品的檢驗(yàn)，否則我們永遠(yuǎn)只能得到一些間接數(shù)據(jù)。
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人們經(jīng)常用“火力壯”來形容一個(gè)人具有生命活力。對于月球而言，巖漿活動是證明月球生命力的重要特征。此前對美國“阿波羅計(jì)劃”樣品的研究結(jié)果表明，月球在30億年前就已經(jīng)成為一顆死亡的星球，為什么“嫦娥五號”帶回的月球樣品“改寫”了月球的壽命？月球到底“死于”何時(shí)？同樣是去月球“挖土”，“嫦娥五號”和“阿波羅計(jì)劃”所取得的月壤有何不同？
2022年3月24日，《自然》雜志發(fā)了一篇評論文章，文章題目是《中國首批月球巖石點(diǎn)燃了研究熱潮》，這篇文章說到“嫦娥五號”返回樣品為了解月球的演變提供了令人振奮的信息。那么“嫦娥五號”到底提供了哪些重要信息？這些研究結(jié)果有什么重要意義呢？第一，我們測算出“嫦娥五號”帶回的玄武巖的年齡是21億年，這是準(zhǔn)確、精確的年齡。它比過去的數(shù)據(jù)至少晚了8億年，也就是說我們的研究結(jié)果將月球的火山活動結(jié)束時(shí)間推遲了8億年，給月球這個(gè)星球延壽了8億年。第二，我們發(fā)現(xiàn)這些玄武巖是來自克里普地體，過去認(rèn)為克里普地體月球表面放射性元素很高，可是測量結(jié)果告訴我們克里普地體的深部月幔這些放射性生熱元素不高。所以我們要重新考慮一下，克里普地體到底下面是不是有富含放射性生熱元素的克里普地體組分？第三，“嫦娥五號”帶回玄武巖的水含量很低，月幔也很干。月幔為什么會這么干？我們認(rèn)為是月幔多次熔融，把水慢慢抽干了，變得越來越干，逐漸貧水。
我國有一個(gè)深空探測的重大專項(xiàng)，這個(gè)重大專項(xiàng)里面包含兩方面內(nèi)容。一個(gè)是探月工程，我們已經(jīng)順利完成探月1期、2期、3期，現(xiàn)在正在執(zhí)行探月4期。探月4期有3個(gè)任務(wù)，其中一個(gè)是“嫦娥六號”的任務(wù)，我們要到月球的背面去采樣，去研究月球早期的地質(zhì)演化歷史。另一個(gè)也設(shè)計(jì)了“嫦娥七號”的任務(wù)，“嫦娥七號”將在月球南極登陸，勘查那個(gè)地方月球的水冰和礦物資源。“嫦娥八號”的任務(wù)是協(xié)同“嫦娥七號”完成任務(wù)，它最重要的任務(wù)是為國際月球科研站建設(shè)積累科學(xué)和技術(shù)的基礎(chǔ)。這個(gè)重大專項(xiàng)還有一部分是做行星探測的，“天問1號”已經(jīng)發(fā)射成功了，目前在軌運(yùn)行；“天問2號”計(jì)劃在2025年左右發(fā)射。另外“天問3號”是做火星采樣返回的，“天問4號”是要完成木星及其冰衛(wèi)星的探測任務(wù)，這兩個(gè)任務(wù)都還在計(jì)劃中。國際月球科研站由我國主導(dǎo)、多國參與，目前還在論證階段。我們的規(guī)劃是分3個(gè)階段做這件事情，一個(gè)是勘查，這個(gè)由探月4期來做，后面的是建設(shè)，最后是使用，我們計(jì)劃在2036年到2045年，能夠使用國際月球科研站來進(jìn)行科學(xué)研究、技術(shù)實(shí)驗(yàn)、資源開發(fā)利用。月球空間站不僅是去開發(fā)資源的，它還有很多用處。月球是一個(gè)微重力場，它的重力只有地球的1/6，所以有些在地球上不能做的事情，月球上可以做。特別在月球背面，它不受地球一些信號的影響，做一些天文學(xué)的觀察是最佳的地方。月球探測和研究具有多方面的價(jià)值，是人類認(rèn)識地月系統(tǒng)、邁向深空的起點(diǎn)，宇宙深空奧秘?zé)o窮，探索也永無止境。
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