嫦娥五號採回的「土特產」，可以用來研究些什麼？｜行星事務所

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導讀

2020年11月24日發射的嫦娥五號任務已滿分完成了前往月球-月面採樣-月面起飛-月軌對接-返回地球的全套複雜操作，順利在月球正面風暴洋東北部的呂姆克山一帶採集到了月球樣品，這也是人類時隔44年再次迎來月球樣品。

出品：科普中國

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網路信息中心

一轉眼，上個月24日（2020年11月24日）才發射的嫦娥五號任務已經滿分完成了前往月球-月面採樣-月面起飛-月軌對接-返回地球的全套複雜操作。（前情提要：嫦娥五號出發！）

順利在月球正面風暴洋東北部的呂姆克山一帶採集到了月球樣品。

嫦娥五號著陸採樣區域（紅星處）（底圖：LROC WAC，製圖：haibaraemily）

著陸區（紅星）一帶地形圖，越紅表示越高，越藍表示越低。該區域內最典型的地貌特徵是呂姆克山（Mons Rümker），一個疑似盾狀火山的遺迹?（圖片來源：參考文獻 [1]）

「四件套」里的返回器接過了最後一棒，帶著珍貴的月球「土特產」於12月17日凌晨降落在內蒙古四子王旗，人類時隔44年再次迎來月球樣品。

返回器降落現場圖（圖源@中國探月工程）

嫦娥五號設計了兩種「挖土」方式：

鑽取：通過鑽具鑽入月表下2米深，採集0.5公斤月球地下樣品

表取：通過機械臂鏟取1.5公斤月球表面樣品

最終，兩種方式的採樣工作都非常順利，原計劃在48個小時內完成的月面採樣僅19個小時就完成了。實際採回了多少樣品，我們很快就會知道了。

嫦娥五號著陸器全景相機拍攝的採樣區，可見陷入月壤中的著陸腿底座、月面的表采痕迹、機械臂和採樣器、展開的國旗，和太陽能板的一部分（圖片來源：CNSA/CLEP）

這些珍貴的月球「土特產」，除了一部分會用於科普和展示之外，重頭戲還是會用於科學研究。這些月球「土特產」，可以用來研究些啥呢？

改進月球定年體系

月球形成於約45億年前，但具體在第幾億年里發生了什麼事，卻不是那麼容易搞清楚的。

對於相對年齡，我們有一些直觀而樸素的認知。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古老。

但絕對年齡就難多了，因為這需要把不同區域撞擊坑統計的密度與一些已知年齡的區域建立聯繫，用後者來為前者定標。阿波羅和月球號樣品就擔當了這樣的橋樑作用，對這些樣品進行放射性定年，就可以知道採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45億年的定年體系就完成了。

左：通過撞擊坑密度可以識別不同區域的相對年齡 （圖片來源：LROC WAC）右：以阿波羅樣品定標，基於撞擊坑統計建立的月球45億年歷史 （圖片來源：參考文獻[2]）

以這套撞擊坑定年體系為工具，我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，而在這個範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來的。尤其是30-10億年前這段漫長的歷史，幾乎可以說是空白。

按照目前的撞擊坑定年體系估算，嫦娥五號的採樣區表面非常年輕，年齡在10億年出頭。如果對嫦娥五號樣品的放射性定年結果表明，這裡確實就是這個年紀，那就有力地證明了之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出大幅修正。

嫦娥五號採樣區一帶不同年齡的地質單元， Ga = 10億年（圖片來源：參考文獻[1]）

無論是哪種，都會讓我們對月球45億年的歷史有更準確的認識。

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，幾乎沒有什麼「像樣」的地質活動。月球太小了，內部的熱量太容易散失了。

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的玄武岩，這些岩漿填充了月面低洼的區域，塑造了如今月面上廣闊的暗黑色月海。

月球上的暗色區域主要是玄武岩的顏色（圖片來源：LROC）

月球上的火山活動到底持續了多久，這取決於月球內部「炙熱」了多久。阿波羅和月球號的樣品只體現了40-30億年前這段時期的火山活動，但通過撞擊坑統計估算，月球上的火山活動持續的時期遠比這悠長：從40億年前到近期都有。

形成於不同時期的月海，不同顏色代表撞擊坑統計估算的不同表面年齡（圖片來源：參考文獻 [3]）

嫦娥五號的採樣區，就是一片極其年輕的玄武岩區域。這裡的樣品，有望告訴我們月球近期（地質上的「近期」，十幾億年前的那種「近期」）的火山活動是怎樣的，月球內部「熱」了多久，這顆小球內部在這段無可避免的「失溫之路」上可能經歷了些什麼。

放射性元素之謎

對月球稍有觀察的盆友們一定能發現，月球上的月海分布得很不均勻，基本上都在正面。這是因為月球的正面地下的岩漿比較多嗎？

這些月海區域原本大多是大型撞擊留下的低洼盆地，然後被玄武岩趁低而入，大塊大塊地填滿。所以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岩嗎？

這些月海聚集的區域也大多對應著月殼比較薄的地方，是因為月球正面的月殼更薄，火山熔岩更容易噴發湧出嗎？

GRAIL重力數據估算的月殼厚度，月海盆地所在的區域大多對應於月殼較薄的區域（圖片來源：參考文獻 [4]）

然而，還有一個要素是不容忽視的：這些月海聚集的區域，也和月球上一種特殊的岩石單元分布高度吻合，那就是——克里普岩。克里普岩（KREEP）是一類富鉀（K）、稀土元素（Rare-Earth Elements）和磷（P）的岩石的統稱，這類岩石常伴隨著鈾、釷等的放射性元素的富集。

月球探勘者號的伽馬射線譜儀（GRS）獲得的釷元素丰度分布圖，左邊最集中的釷元素富集區就是風暴洋（圖片來源：參考文獻 [5]）

許多研究推測，這些能不能都串連起來？會不會是因為月球某些地方有放射性元素富集，所以那些地方特別熱，導致地下產生的岩漿更多，月殼也更薄——這些都有利於月海的形成。更熱的地方，形成的撞擊盆地也會變得更大，這會讓原本被撞的時候沒什麼區別的月球正面最終形成了更多巨大的盆地…

阿波羅15號採回的富克里普岩的玄武岩樣品15386，寬2厘米，重7.5克，釷含量高達10-15 ppm（圖片來源：NASA #s S76-24073 and 24072）

風暴洋就是月球上克里普岩和放射性元素最集中的地方，這塊區域還有個專門的名字——「風暴洋克里普地體」（Procellarum KREEP Terrane，簡稱PKT）。著陸在風暴洋東北部的嫦娥五號，就有可能採集到富克里普岩的樣品。

月球正面釷含量分布和嫦娥五號著陸區（白框），A代表阿波羅採樣點，L代表月球號採樣點，其中A12、14和15也位於風暴洋克里普地體範圍內（圖片來源：參考文獻 [1]）

這些富放射性元素的岩石是怎麼形成的？為什麼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？……對克里普岩樣品的直接研究，有望讓我們距離諸多月球之謎的答案更近一步。

「窺探」月球內部

月海玄武岩，「前世」是誕生於月球深處的岩漿。儘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發生演化，所以最終形成的月海玄武岩並不能等同於月幔成分——但這依然是我們了解月球內部化學成分的鑰匙。

月海玄武岩來自月幔的岩漿上涌。不過圖裡的月球分層結構只是目前的猜想中的一種（圖片改編自：參考文獻[6]）

遙感光譜探測告訴我們，不同時期噴發的玄武岩成分是有差異的，一個常用的指標是鐵和鈦的含量，但月海玄武岩中鐵鈦含量的高低和噴發的早晚似乎也沒有必然的相關性。那麼不同鐵鈦含量的玄武岩意味著什麼嗎？是來自月球不同深度的地方？或者是月球內部的岩漿也在經歷演化，不同時期噴發的岩漿反應了月球內部不同時期的化學演化產物？或許嫦娥五號的樣品可以給出新的線索。

嫦娥五號採樣區的年輕玄武岩含有較高的鈦和鐵含量（圖片來源：參考文獻 [1]）

太陽系撞擊歷史和生命演化

更年輕的月球樣品，不僅可以幫助我們改進月球的「編年史」，還能幫助我們修正整個太陽系的「編年史」。這是因為更古老/年輕的表面就意味著更多/少的小天體撞擊，而更多/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裡去，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？我們知道太陽系早期的撞擊非常頻繁，火星那麼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，太陽系也慢慢趨於寧靜。或許正是更溫和的撞擊環境，給了地球生命生息繁衍的機會。

但這些撞擊體的大小和頻率是如何隨時間減少的，我們一直缺少近30億年內的可靠證據。十幾二十億年前的地球生命會經歷些什麼？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？嫦娥五號更年輕的樣品，有望幫助我們填補這段撞擊歷史，了解近30億年里的撞擊事件如何影響地球生命，甚至如何影響太陽系中其他星球上可能誕生的生命。

撞擊與生命演化（圖片漢化自：LPI [7]）

除了這些，樣品可以做的科學研究還有許許多多。例如，表取和鑽取的樣品對比，可以告訴我們表層和次表層物質有什麼區別，空間風化對月球表面物質有什麼影響，可以為遙感光譜探測定標；樣品磁場的測量，可以告訴我們月球古磁場的強度和樣品被磁化的時間，進而約束月核的演化和產生月球磁場的內部「發電機」…

當然，這些宏大的「月球謎題」，是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的。探索未知的道路註定充滿曲折，我們唯有通過一次又一次的探索，來越來越接近答案。

怕什麼真理無窮，進一寸有一寸的歡喜。

而實地採樣最珍貴之處，在於樣品背後孕育的無限可能——那些我們現在還沒有想到，但隨著對樣品的深入研究而不斷發現新的研究方向和思路的可能性；那些隨著科技的進步和理論知識的更新，一次又一次重新探索和認識這些樣品的可能性；那些和過去將來的探測成果結合，擦出意想不到的新火花的可能性。

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