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嫦娥五号从月球采集样本所代表的真正意义

2020 / 12 / 04新浪

11月24日,嫦娥五号在海南文昌发射场顺利发射升空,11月30日,嫦娥五号已经进入月球圆形轨道,将会择机实施月面软着陆。嫦娥五号的行踪,为什么会这么引人注目呢?因为它将会执行中国首个月球采样返回任务。换句话说,我们终于将会拥有自己的月壤和月岩标本了,这让我们国家成为继美国和苏联之后,第三个能够执行月球采样返回任务的国家。

嫦娥五号发射图 图/国家航天局
嫦娥五号发射图 图/国家航天局

不过,正如前段时间中国万米深潜器成功坐底马里亚纳海沟一样,很多人看到的只是那个深度世界第一,深潜时长世界第一等荣誉,但是却不知道它背后的科学意义一样,这一次的嫦娥五号也有类似的问题。很多人都为我国的月球探测器能够采样返回而兴奋,但是却不知道采回来的月球样本所代表的真正意义。

一、研究月球演化

月球是怎么形成的?这个问题困扰了我们很久,不少科学家提出诸如地球俘获说(地球引力俘获路过的小行星)、地球分裂说(地球自转过程中甩出一部分成为月球)等等多种说法。但是一直到阿波罗登月后,人们取得了大量月球岩石与土壤的样本,通过对这些样本的分析,才最终提出一个目前被主流所接受的说法:小行星碰撞说。

地球与“忒伊亚”碰撞想象图 图/Wikipedia
地球与“忒伊亚”碰撞想象图 图/Wikipedia

这个理论认为,在地球形成后不久,地球被一颗大小与火星相似的小行星“忒伊亚”撞击,在这次撞击中,“忒伊亚”整体被撞碎,地球的一部分地幔物质也被撞飞,同时“忒伊亚”的金属核心融入地核中,这些被撞飞的地幔物质和“忒伊亚”的地幔物质则在宇宙中围绕地球运动,并最终碰撞融合到一起,于是就形成了月球。

月球形成 图/BBC视频
月球形成 图/BBC视频

这个理论的提出,就得益于来自月球岩石样本的数据。科学家们在分析了月球样本后,发现地球和月球具有完全一致的氧同位素组成,这在地球与其他类地行星上并未出现过,说明地球与月球的物质曾经发生过充分的混合;此外,还通过地月岩石样本的对比后发现,地球的化学元素中,硅元素出现了不正常的亏损状态,而月球的化学元素中则缺少镧系元素Eu,硅是一种造岩元素,很容易富集于地表岩石中,撞击导致的地表岩石破裂和飞出才能导致硅元素的消失,而只有当月球主要成分源于其他行星的时候,Eu才会出现缺失的现象。

来自月球的岩石样本图/Wikipedia
来自月球的岩石样本图/Wikipedia

这种月球起源理论的提出,主要原因就是因为美苏冷战期间美苏两国都曾经多次取回月球样本,因此让美国及其欧洲盟友在这些科学领域上领先于世界。

但是月球的起源还有许多未曾解决的问题,同时月球在形成后的数十亿年间又经历了长期的小行星撞击与多期次的岩浆活动。不过由于人类在月球的探索依然有限,所以我们对月球本身的演化历程依然还不甚了解,尤其是对于月球从30亿年以来的演化情况不甚清楚。长久以来,我们中国人研究月球的地质演化基本上只能通过撞击坑的叠置关系以及国外的月球数据来进行,但是从中国的登月计划开始实施以来,我们逐渐有了丰富的月表探测数据,在这次嫦娥五号所要登陆的风暴洋吕姆克山,我们也可能采回月球在大约11亿年前的岩浆活动中所形成的岩石,这些对于我们研究月球的演化历史无疑具有很重要的作用——往浅处说,能够让我们在月球演化领域领先于西方,往深处说研究月球演化是揭示类地行星起源和演化的关键,也是我们开拓星辰大海的出发点。

从阿波罗号看吕姆克山图/Wikipedia
从阿波罗号看吕姆克山图/Wikipedia

二、月球开发

月壤位于月球的最表层,是本次采样的重点。月壤与地球的土壤截然不同,地表的土壤是地表岩石受到风霜雨雪等的风化作用后破碎成为沙粒,这些沙粒与死亡生物的有机质混合所形成的物质。但是月壤则主要是由小行星撞击月面以及在真空中由温差等因素风化所致。

阿波罗计划中收集月壤的宇航员图/NASA
阿波罗计划中收集月壤的宇航员图/NASA

研究这些月壤,一方面能够揭示出在月球上发生过的陨石撞击事件的细节,另一方面则能够为我们揭示在空间中的物质经历空间风化(温度、太阳风、宇宙射线等等的破坏作用)的过程,为将来的星际建筑和设备抵御空间风化做准备;另外,更为细小的月尘则容易漂浮,在月球条件下,月尘的漂浮会导致宇航员视觉模糊、探测器光学元件污染、能源与热控系统衰退、机械磨损和故障等,研究这些物质也能够为将来的月球探测工作和月球基地建设工作提供防尘的方案。

此外,在阿波罗计划以及苏联的Luna计划中都对月表矿物进行了研究,目前在月表不同区域内发现了不少水冰、氦-3、钛铁矿、克里普岩(能够提炼出稀有元素)以及其他大量金属与非金属资源。这些资源,尤其是氦-3资源一度引起人们的关注,因为这是一种极为重要的核聚变原料。许多人就曾经畅想,有了月球的氦-3,地球几百年上千年内的能源问题都要解决,不过我要泼冷水了,醒醒吧,地球上商业核聚变都还差着五十年呢!现在要这些氦-3有何用?

对于月球资源利用的第一步可能并不在于对于月表矿物诸如氦-3的提炼之类,而很可能在于对月表环境资源的利用(月球环境的优势在于长昼夜、温差大、长光照、高真空、强辐射等)、对于水冰区域的开发以及对于月壤月尘的使用。

月壤和月尘可能是一种非常好的粉尘物质,能够用于3D打印或者是直接作为建筑材料,如果能够对它们进行深入研究,可能能够设计出相应的工艺来加快建设月球基地。

月球表面的长光照、高真空以及月壤可能才是第一步要利用的资源图/NASA
月球表面的长光照、高真空以及月壤可能才是第一步要利用的资源图/NASA

可能要等待月球基地的建立之后,我们才会提出月球采矿的需求来,而在这之前,对于月壤的研究无疑能够有助于基地的前期建设工作。

三、追赶

现代科学都起源于西方,这些现代科学在西方的应用甚至一度给中国带来屈辱和灾难。

自从新中国建立起来之后就一直在追赶西方人的脚步,就从探月这件事情来说,中国人研究地外天体的起点其实起源于陨石,通过这些陨石的研究初步培养出了一些专业的人才,而在这时候美国和苏联已经登月了。

1976年吉林陨石雨事件中搜集到的陨石总重约2吨,搜寻陨石,研究陨石,是我们国家地外研究的起点,图中陨石展出于吉林市博物馆图/科普中国
1976年吉林陨石雨事件中搜集到的陨石总重约2吨,搜寻陨石,研究陨石,是我们国家地外研究的起点,图中陨石展出于吉林市博物馆图/科普中国

到了上个世纪70年代末期,中国人才开始通过跟踪国外登月成果,翻译、总结这些资料后出版了中国自己的相关教材;70年代末期,美国总统卡特给中国送了1g月样,其中0.5g放进了博物馆,另外0.5g才能够进行研究使用,在当时,中科院地球化学研究所、中科院原子能研究所、中科院原子核研究所、中科院长春应用化学研究所、中科院高能物理研究所、冶金工业部昆明冶金研究所、石油工业部上海石油化工厂等多个部门就硬生生利用这0.5g月样进行了10余项项目的研究,并发表了数十篇论文。

在几十年间,我们都在默默进行月球探测的的科学准备,尽管那时候看上去西方人的一骑绝尘,仿佛永远无法超越。一直到2004年,国家才批准立项进行月球探测,此后从嫦娥一号到现在的嫦娥五号,我们的脚步缓慢而坚定,一直到现在嫦娥五号即将登陆月球的时候,我们回过头来才发现,哦,我们已经差不多跟西方处于同一水平线了!