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    “嫦娥”帶回的月球“土特產”有何妙用

    來源:中國軍網-解放軍報作者:徐璐媛 殷向榮責任編輯:姬彩紅
    2021-01-08 07:20

    “嫦娥”帶回的月球“土特產”有何妙用

    ■徐璐媛 殷向榮

    北京時間2020年12月17日凌晨,嫦娥五號歷時23天“奔月之旅”,順利從月球挖土而歸。汪江波攝

    2020年11月24日,我國嫦娥五號探測器發射入軌。經歷地月轉移、近月制動、在軌分離、平穩落月、鉆表取樣、月面起飛、交會對接及樣品轉移、環月等待、月地轉移、再入回收等階段,在軌工作23天,返回器攜帶月球樣品于12月17日在內蒙古四子王旗預定區域著陸。此后,嫦娥五號返回器安全運抵北京,完成開艙及相關處理工作,科研人員順利取出月球樣品容器。

    這是人類時隔44年再次迎來月球樣品。12月19日上午,國家航天局在京舉行探月工程嫦娥五號任務月球樣品交接儀式,與部分參研參試單位一道,共同見證樣品移交至任務地面應用系統。這標志著嫦娥五號任務由工程實施階段正式轉入科學研究階段,我國首次地外天體樣品儲存、分析和研究拉開序幕。

    經初步測量,嫦娥五號任務采集月球樣品約1731克。這包珍貴的月球樣品,吸引著世人目光。

    “嫦娥”帶回的約1731克月球樣品,是在月球正面風暴洋東北部呂姆克山一帶采集到的。

    科研人員給嫦娥五號設計了兩種“挖土”方式:一是鉆取——通過鉆具鉆入月表下2米深,采集月球地下樣品;二是表取——通過機械臂鏟取月球表面樣品。最終,兩種方式的采樣工作都非常順利,原計劃在48個小時內完成的月面采樣任務僅用時19個小時。

    據相關科研人員介紹,從月球帶回來的這些“土特產”,除了一部分用于科普和展示之外,“重頭戲”是用于科學研究。

    進一步確認月球定年體系

    眾所周知,月球形成于約45億年前。但是,月球具體在第幾億年里發生了什么事,人們至今并沒有搞清楚。

    關于其相對年齡,人們有直觀而樸素的認知:形成年代越早的區域,累積被撞出的撞擊坑就越多。也就是說,一片撞擊坑密度更高的區域,往往比撞擊坑密度低的區域更古老。

    要搞清其絕對年齡,就不一樣了。因為這需要把不同區域統計的撞擊坑密度與一些已知年齡的區域建立起聯系,用后者來為前者定標。

    以前,阿波羅和月球號采集的樣品,起到了這樣的橋梁作用??蒲腥藛T對這些樣品進行放射性定年,可獲知采樣區表面的絕對年齡,再和這些區域的撞擊坑密度一比對,一套覆蓋月球45億年的定年體系基本完成。

    以這套撞擊坑定年體系為工具,人們可以進一步確定月球上那些沒有樣品和絕對定年的區域年齡。然而,這套定年體系始終是令人疑慮的。用來定標的阿波羅和月球號樣品大多來自月球正面中低緯度的月海區域,形成年齡集中在42-32億年前。目前這個范圍之外的月球地質事件所對應的時間,全部是以此為錨點外推得來的。尤其是30-10億年前這段漫長的歷史,幾乎是空白。

    按照目前的撞擊坑定年體系估算,嫦娥五號的采樣區表面非常年輕,年齡在10億年出頭。如果嫦娥五號帶回的樣品的放射性定年結果表明為這個年齡,那就有力地證明了當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大幅修正。

    不過,無論是哪種結果,都會讓人們對月球45億年的歷史有更準確的認識。

    查尋月球晚期火山活動和熱歷史

    如今的月球,寒冷枯寂。除了時不時被小行星、彗星撞一撞之外,幾乎沒有什么“熱鬧”的地質活動。月球太小了,內部的熱量太容易散失。

    但曾經的月球,也是“熱鬧”過的。三四十億年前的月球上,活躍的火山活動噴出了大量玄武巖。這些巖漿填充了月面低洼區域,塑造出如今月面上廣闊的暗黑色月海。

    月球上的火山活動到底持續了多久,這取決于月球內部“炙熱”了多久。阿波羅和月球號采回的樣品,只體現了40-30億年前這段時期的火山活動。但通過撞擊坑統計估算,月球上火山活動持續的時期遠比這悠長:從40億年前到近期(即地質上指的十幾億年前)都有。

    嫦娥五號的采樣區,就是一片極其年輕的玄武巖區域。這里的樣品有望告訴人們:月球近期火山活動是怎樣的?月球內部“熱”了多久?這顆小星球內部在這段無可避免的“失溫之路”上可能經歷了什么?

    揭開月球正面諸多未知之謎

    月球上,月海分布很不均勻,基本上都在正面。這是因為月球正面地下巖漿比較多嗎?

    這些月海區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。這是因為月球正面的撞擊盆地更多更大、有更多低地容納月海玄武巖嗎?

    這些月海聚集的區域,大多對應著月殼比較薄的地方。這是因為月球正面的月殼更薄,火山熔巖更容易噴發涌出嗎?

    還有一個要素不容忽視:這些月海聚集的區域,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。這類巖石富含鉀、稀土元素、磷以及鈾、釷等放射性元素。

    許多研究推測,這些現象能不能都串連起來?會不會是因為月球某些地方富含放射性元素,所以那些地方就特別熱,導致地下產生的巖漿更多,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更大,導致月球正面最終形成更多巨大的盆地……

    風暴洋,是月球上克里普巖和放射性元素最集中的地方。著陸在風暴洋東北部的嫦娥五號,有可能采集到克里普巖的樣品。

    這些富含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?它們是風暴洋中晚期火山活動的熱量來源嗎?對克里普巖樣品進行直接研究,有望讓人們距離諸多月球之謎的答案更近一步。

    “窺探”月球內部化學成分

    月海玄武巖,“前世”是誕生于月球深處的巖漿。盡管經歷了再冷卻、結晶、固化的“重塑”,加之月幔物質在上涌的過程中本身也會不斷演化,最終形成的月海玄武巖,并不能等同于月幔成分。但這依舊是人們了解月球內部化學成分的重要依據。

    遙感光譜探測告訴人們,不同時期噴發的玄武巖成分是有差異的,其中一個常用的指標是鐵和鈦的含量。不同鐵、鈦含量的玄武巖意味著什么?是來自月球不同深度的地方;或是月球內部的巖漿也在經歷演化,不同時期噴發的巖漿反映了月球內部不同時期的化學演化產物?或許,嫦娥五號帶回的月球樣品能為人們提供新的線索。

    探索太陽系撞擊歷史和生命演化

    更年輕的月球樣品,可幫助人們修正月球乃至整個太陽系的“編年史”。這是因為,更古老或更年輕的表面就意味著更多或更少的小天體撞擊,而更多或更少的小天體撞擊則是太陽系動蕩歷史的體現。

    月球被撞得多的時期,地球、火星也不可能好到哪兒去。因為被撞“不分你我”,星球們都是“命運共同體”。

    太陽系經歷了怎樣的撞擊歷史?太陽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。不過,幸運的是,隨著撞擊體慢慢變少,太陽系也隨之趨于寧靜?;蛟S正是更溫和的撞擊環境,給了地球生命繁衍的機會。

    但這些撞擊體是如何隨著時間的推移而變小和減少的?對此人們一直缺少近30億年內的可靠證據。

    另外,十幾億、二十億年前的地球生命會經歷些什么?是一個和如今差不多溫和的撞擊環境,還是一個頻繁被撞的“hard模式”?嫦娥五號采回的更年輕的月球樣品,有望幫助人們填補這段撞擊歷史的空白,了解近30億年里的撞擊事件是如何影響地球生命的,甚至是如何影響太陽系中其他星球可能誕生生命的。

    除了這些,樣品可做的科學研究還有許許多多。例如,表取和鉆取的樣品對比,可以告訴人們:表層和次表層物質有什么區別,空間風化對月球表面物質有什么影響,是否可為遙感光譜探測定標。樣品磁場的測量,可以告訴人們:月球古磁場的強度和樣品被磁化的時間,進而得知約束月核的演化和產生月球磁場的內部“發電機”……

    當然,諸多的“月球謎題”,不可能僅僅通過某一次探測或者對某一次樣品的研究就輕易獲得答案。探月的道路注定充滿曲折,唯有通過不懈的求索,才能最終找到答案。

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