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来源:带你去看耿耿星河微信公众号 作者:孟治国 王善钦 平劲松

1969年7月21日,宇航员阿姆斯特朗从阿波罗11号释放到月球的登陆舱上走向月球,然后他说了一句名言:“这是我的一小步,是人类的一大步。”到1972年,美国国家航空航天局(NASA)共执行了7次登月任务,除了阿波罗13号因中途产生的故障而被迫返航之外,其余6次都获得了成功,而且每次任务都带回了月球的岩石与土壤。它们中一部分用于科学研究和科普教育,而其中的大部分一直被封存。

今年7月21日是人类首次登月50周年纪念日,NASA计划在今年将启封一小部分封存至今的月球岩石与土壤,利用现代技术进行研究。

月球岩石带来重要信息

阿波罗11号到17号任务期间,共有约382公斤月球岩石与土壤被带回地球。同期,前苏联的登月探测器“月亮”系列探测任务也带回了约0.3公斤的月球土壤样品。

这其中一小部分样品成为地质学家与天体化学家的重要研究对象,特别是为判定月球表面物质的年龄提供了参考依据。

由于月球上没有空气,月球上的岩石和土壤受到的风化侵蚀主要来自太阳风和宇宙粒子辐射。它们还受到昼夜交替太阳光照带来的热膨胀与收缩作用,以及频繁的陨石撞击。后者不仅给月球表层土壤带来了新的天外物质补充,还把岩块撞击成细微至10—200微米的尘埃,以至于可以快速透过宇航员的宇航服而威胁到载人月球探测的安全。

月球岩石与土壤包含了丰富的月球本身、月面空间天气环境、太阳系小天体、宇宙辐射等的丰富信息,对其研究解开了众多关于月球本身的谜团,也使人们获得了许多重要成果。

这些采样分析成果,为后续包括我国“嫦娥”月球探测工程和日本、印度的月球探测计划实施,提供了直接参考和探测数据标定依据。

比如,使用标定后的月表光谱成像探测数据,科学家获得了月球表层精细的氧化钛铁的含量,发现其含量远远低于通过吸积过程生成一个固体行星的应有含量。

我国学者以此为线索重建了地球被撞击后抛出的壳幔物质和撞击天体联合构筑形成月球的过程。另一个重要的结果是,嫦娥四号在月面南极盆地的着陆区发现了大量橄榄石成分,它们很可能来自月球深部,因撞击来到这里。

通过研究月球岩石,并与月球激光测距50年的结果融合比对分析,还让人们首次确认月球和地球一样有壳、幔与核,这样的内部分层结构与地球类似。

对月球岩石的研究不仅促进了对月球的认识,还促进了行星科学的发展。

人们在研究了这些月球岩石与土壤之后,确定了水星与火星表面部分的年龄,确认了木星、土星、天王星与海王星这样的大行星在靠近太阳的地方形成、然后再向外迁移到现在的位置,还对一些小行星有了更深入的理解。

可以毫不夸张地说,月球上取得的岩石与土壤使人类对月球乃至于整个太阳系的了解大大加深,为人们认识月球与太阳系天体的物理性质甚至起源提供了非常重要的信息。

嫦娥五号也将登月取土

虽然尚未有中国人登上月球,但我国在月球岩土无人取样这方面快速进步。嫦娥三号于2013年12月在月球上软着陆,通过对月球土壤的着陆探测研究,发现了有别于阿波罗任务采样的新的月表矿物。

同时,进行了雨海地区分层结构研究,重新认识了该地区多期次玄武岩活动特征。嫦娥四号则于2019年1月成为世界上首次在月球背面软着陆的探测器,通过对月球土壤的着陆探测分析,深化了对南极艾肯盆地的撞击形成过程和下月壳甚至上月幔物质组成的认识。

这两次任务验证了软着陆的技术。在此基础上,嫦娥五号将在月球上软着陆之后,获取月球土壤。

按照计划,嫦娥五号的着陆器将在登月后采集月球土壤,然后发射升空,与轨道器对接,将月壤带回地球。根据设计,嫦娥五号可以带回大约2千克位于月球表面2米深度范围内的月球土壤。

对这些月球土壤的研究,将有力促进人们对月球的认识。当前,这个计划正在进行之中,嫦娥五号计划于今年年底用长征五号发射升空。

新的发现表明,月壤尽管缺少水,但在1吨月壤中平均含有6个矿泉水瓶的水可供提取使用。嫦娥五号着陆器采集的月球土壤将为评估其着陆区域月壤中水的含量提供直接的依据。进一步地,可以使用地球火山灰模拟该采样的月壤,搭建环境场所,为未来月面长期驻扎探测提供研究测试和训练。这项月壤仿真和应用研究在我国也已经开展了多年。

认识月球未必要着陆

除了直接登月、取回土壤之外,人们还用其他多种方法研究月球。最符合传统风格的方式就是用地面望远镜与绕月卫星直接观测月球表面。

随着望远镜技术越来越强大,用望远镜看到的月球细节也越来越清晰。

例如,1994年,NASA发射的一个绕月卫星首次获得了接近完整的“月图”;1998年,NASA发射的另一个绕月卫星发现月球两极的氢超过预期值,并推断这可能是月球两极水冰导致的。

中国、日本、欧洲、印度在过去分别发射多个绕月探测器探测月球。

如欧洲在2004年发射的探月卫星研究了月球表面的化学成分。中国分别于2007和2010年发射的嫦娥一号与嫦娥二号卫星获得了全球第一幅完整的月球影像图以及微波亮温图,并进行了世界上精度最高的月表质填图。

NASA在2012年发射的绕月卫星研究了月球的内部分层结构。日本和印度在此期间也发射了各自的绕月卫星。这些任务使人们进一步了解了月球表面形态与化学成分以及月球内部结构,使得我们对月球的认识在过去几十年不断深入。

认识月球的另一个重要方法,是用类似于地震仪的仪器来探测月球的震动,再用月震学方法来研究仪器探测到的信号。由于外太空天体的撞击、月球部分区域的滑坡事件与月球内部的活动,月球上会经常发生月震。

早在1969年阿波罗11号任务期间,宇航员就在月球静海西南区域放了月震仪。此后的几次登月任务中,又有五个区域被放置了月震仪。

这些月震仪构成一个探测网络。此后对上万次记录到的月震信息的研究表明,月震持续时间比地震长得多,人们也从那些月震数据中推断出月球的分层结构信息,包括月核、月幔与月壳的厚度与密度。

最近的一项研究使用了阿波罗12、14、15与16号放置的月震仪从1969年到1977年之间探测到的数据,发现月球的半径正在缩小。

用新技术研究旧样品

阿波罗号从月球上取回的土壤与岩石,在从月球取出的时候就用真空包装或者放在充氦气的容器中,此后一直存放在充氮气的环境中,未受到地球大气的污染,也没有被碰触过。到现在,最久远的一批样本被密封的时间已经达到50年。在过去50年间,它们几乎没有发生变化。

现在,NASA正计划重新开启一部分保存着月球岩石与土壤的保险箱,让人们用如今最新技术研究它们。为了避免在取出的过程中被污染或者破坏,有关人员正在用实体模型来模拟取出的过程。

由于技术的进步,人们现在只需要50年前用量的百万分之一的样品,就可以得到一样可靠的研究结果。更重要的是,由于有了大量之前没有的技术,人们可以从中获得更多重要信息。

来源:科技日报 文中图片来自NASA及网络

编辑:刘义阳

审核:管晶晶

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