北京日報客戶端 | 記者 汪丹
近來我國月壤研究成果陸續問世，今年4月官方還公布了將嫦娥五號月壤樣品贈送給俄羅斯和法國以供科學研究的消息，這讓大家對月球土壤充滿了好奇。月壤中究竟隱藏著什麼奧秘？研究它有哪些重要意義？對我國探月工程和太空探索又將有何助益？今天我們請中國科學院地質與地球物理研究所研究員胡森來盤點這「無價之土」的珍貴之處。
研究月球為何要先研究月壤
古人云「舉頭望明月，低頭思故鄉」，夜深人靜之時，凝視月亮總會激起遊子的思鄉之情。從現代科學的角度來看，月球也是地球的「遊子」，約45億年前，一顆火星大小的星球撞擊原始地球，部分撞擊濺射出的高溫物質重新聚集形成月球，隨後月球與地球開啟了各自的演化歷程。
然而，與地球宜居的表生環境相比，月球堪比煉獄，高真空、強輻射、晝夜溫差可達300℃。在月表嚴苛的環境下，月表岩石發生機械破碎，疊加太陽風、宇宙射線注入以及隕石與微隕石的轟擊、翻耕等作用，月表在長達億年時間內形成了細如粉塵的一層月壤，科學家普遍認為其厚度可達數米至十幾米，主要取決於月表下腹岩石的年齡。
月壤的形成過程決定了它不僅包含月球自身的岩石或礦物碎片，還含有少量的撞擊體殘留物與濺射物，以及這些物質與月表環境相互作用的產物。以嫦娥五號月壤為例，其主要由玄武岩碎屑、角礫岩、膠結物和玻璃珠組成，以及少量的非月海物質（高地岩石碎片）和極少量的非月球物質（隕石碎片）。除了少量是鑽孔樣品之外，嫦娥五號月壤大部分鏟自月球表面。月表由於無大氣，太陽風、隕石、微隕石等外動力可以直接與月表物質發生作用，並記錄在月壤中，因此，月壤是揭示其形成過程、太空風化、撞擊歷史等科學和工程問題的重要窗口。
上海天文館展出的嫦娥五號月球樣品
截至目前，人類共計從月球採集並返回了383.7千克月球樣品，包括月表岩石、鏟取月壤和鑽孔樣品，其中美國阿波羅載人登月任務從月球正面的6個低緯度地區取回了381.7千克月球樣品，蘇聯的月球號任務取回了約300克月壤樣品，我國嫦娥五號任務共取回了1731克月壤樣品。
基於美國阿波羅和蘇聯月球號返回樣品的研究，科學家提出了月球形成和演化的框架，例如「大碰撞起源假說」「岩漿洋假說」「晚期重型轟擊假說」等，這些返回樣品的研究刷新了人類對月球起源和演化的認識，促進了行星科學的建立與發展，拓展了人類對太陽系起源和演化諸多基礎科學問題的認知邊界，也增強了人類邁入更遠深空的信心。
2020年12月17日是個值得銘記的日子，我國嫦娥五號探測器攜帶1731克月壤成功返回地球。這是44年來人類再次實現從月表取樣返回，中國也成為了繼美國、蘇聯之後，第三個成功採集到月壤的國家。這些「土特產」為何珍貴？攜帶著月球的哪些奧秘？對未來月球探測有何啟示？圍繞這些問題，我國科學家已經發現了一些線索，並在持續不斷地開展深入研究。
最年輕樣品延長月球「地質壽命」
嫦娥五號月壤樣品采自月球的玄武岩單元，這些玄武岩是月幔形成的岩漿溢流到月表固化而成的岩石，它們記錄著月球衰老的密碼。所以，嫦娥五號樣品返回後，第一個需要研究的問題就是採樣區下腹玄武岩的形成年齡。
以往的月球樣品研究表明，月球大約在30億至28億年前基本停止了岩漿活動，成為一個地質意義上的「死亡」星球。那麼，如何測定月球玄武岩的年齡呢？目前主流的方法是尋找月球玄武岩中一些微細含鈾不含鉛的礦物，例如斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石等，通過分析這些礦物中放射性鈾衰變形成的鉛同位素組成，就可以計算出玄武岩的年齡。嫦娥五號樣品是粉末狀的微細月壤，沒有大的岩塊樣品，而適合測定年齡（俗稱「定年」）的斜鋯石、鈣鈦鋯石、靜海石通常小於5微米，甚至不到3微米，對分析技術提出了極其苛刻的要求。
我國科學家為了完成這項定年任務，構建了國際一流微區分析平台，研發了離子探針超高空間解析度的定年技術，空間解析度從＞10微米提高到＜3微米。利用這些新技術，我國科學家對嫦娥五號玄武岩岩屑的富鈾礦物進行了精確的鉛同位素分析，確定嫦娥五號玄武岩形成於20.30±0.04億年前，嫦娥五號月壤是最年輕的月球樣品，這一發現也將月球的「地質壽命」延長了8億至9億年，刷新了人類對月球岩漿活動和熱演化歷史的認知。
對於月球這種具有大的表面積/體積比的小星球來說，科學家通常認為它的內部能量會快速耗散而發生冷卻，從而早早結束其「地質壽命」。然而，嫦娥五號玄武岩的定年結果證實20億年前月球還有活力，因此，科學家要回答的第二個問題就是月球的岩漿活動為何可以持續這麼久？
此前，科學家對於月球能夠維持活力有兩種猜測：一是岩漿源區富含放射性元素以提供形成岩漿的熱源；二是岩漿源區富含水（或其他物質）以降低源區岩石的熔點。我國科學家通過對嫦娥五號月壤樣品的研究，排除了這兩種猜想的可能性。最後，我國科學家採用了一系列岩石學和熱力學模擬計算，恢復了嫦娥五號玄武岩的初始岩漿成分，並與阿波羅玄武岩的初始岩漿進行對比，發現嫦娥五號玄武岩的初始岩漿含有更多的鈣和鈦，這些物質很可能是月球岩漿洋晚期結晶的易熔物質，後期通過翻轉加入月幔，不僅為月幔「補鈣補鈦」，還導致月幔熔點降低，有助於延緩月球衰老的速度。
我國月壤研究成果啟示
2021年7月，嫦娥五號月壤樣品向全社會開放申請，激起了全國科技工作者的熱情。國內幾十家科研院所和高校圍繞粒度、成分、年齡、岩石成因、太空風化、太陽風成因水、撞擊歷史、高精度同位素、岩漿演化、外源物質、力學性質、材料應用等諸多方面開展了系統研究，取得了一系列原創科研成果，提升了我國在月球與深空探測領域的國際影響力和地位。
1.太空風化：揭示月表演化進程
月球等無大氣天體表面受太陽風、宇宙射線、隕石和微隕石撞擊等作用後，會導致月表物質成分、結構、性質發生改變，進而改造月表的光譜特徵，影響光譜探測數據解譯的準確度和可靠性，所以，月球的太空風化過程和機制一直是月球科學的重要內容。
我國科學家發現嫦娥五號月壤樣品中常見的納米級單質金屬鐵可能具有多種形成機制，並首次發現了磁鐵礦和藍輝銅礦在月球表面的分布，這為揭示月球表面的改造過程提供了重要的研究依據。此外，結合原位光譜探測數據與返回樣品的實驗室光譜測量數據，科學家發現嫦娥五號月壤樣品雖然年輕，但成熟度相對較高，這給重新審視現有的月壤成熟度評價體系以及月壤的形成與時空演化歷史，提出了新的問題與挑戰。
2.太陽風成因水：月表水來源、成因和保存機制的「中國貢獻」
近十年，諸多探測器和觀測結果都表明月表普遍含有10克/噸-1000克/噸的水（結構水），兩極含量高、赤道含量低，極區甚至有水冰（可高達50000克/噸），且隨日照時間發生動態變化，這些發現給了人們未來原位利用月表水的希望。但是，月表水是如何形成、保存和遷移的呢？
嫦娥五號月壤樣品採集的緯度為北緯43度，處於中緯度地區，為揭示月表水的成因機制提供了重要機遇。現有研究結果表明，嫦娥五號鏟取粉末樣品中的橄欖石、輝石、長石、玻璃等細粒組分記錄了太陽風氫離子注入事件。跟阿波羅月壤樣品相比，嫦娥五號月壤樣品含有更多的太陽風注入氫（通常被科學家稱為太陽風成因水，即由於太陽風的作用形成的廣義水），結合阿波羅樣品的研究和極區撞擊實驗的數據，就可以建立月表水含量與緯度的經驗公式，進而預測其他未採樣區域的水含量。今年3月，我國科學家在研究嫦娥五號月壤時發現撞擊玻璃珠含有高達2000克/噸的水含量，這些水來自太陽風，因為它們與太陽風具有相同的基因（氫同位素組成）。進一步的分析結果顯示，月壤中的撞擊玻璃珠不僅能夠儲存太陽風成因水，還能往外排水，這為深刻理解月表水的成因、保存和遷移提供了新思路，也為未來制定月表水探測方案提供了參考。
3.撞擊歷史：藏著地球生命興衰的秘密
嫦娥五號月壤樣品不僅包含了月球重要的演化信息，還藏著地球生命興衰的秘密。小行星撞擊是人類文明未來面臨的潛在災難之一。6500萬年前，1顆直徑約10公里的小行星撞擊地球，造成了統治地球1.5億年的恐龍滅絕。那麼對地月系統，小行星撞擊事件是否會突然增加？嫦娥五號月壤樣品中的撞擊玻璃微珠是尋找答案的最佳對象。
月球玻璃珠最早在阿波羅月壤樣品中發現，大小從幾十微米到幾毫米不等，通常呈球形、橢圓形或啞鈴形，主要由火山噴發和撞擊濺射形成，其中經常包含被撞擊體的岩石和礦物碎片等，藏著大量月球與內太陽系演化的信息。我國科學家採用離子探針精密儀器準確分析了嫦娥五號月壤中撞擊玻璃珠的成分與年代，建立了月球撞擊濺射物數值模型，並從嫦娥五號著陸區周圍10萬多個撞擊坑中篩選出潛在源撞擊坑，證實了在嫦娥五號著陸區附近，月球經歷了至少17次強烈撞擊。通過對比小行星帶內撞擊/裂解時間年齡與嫦娥五號著陸區附近的撞擊事件年齡，發現其中一組的撞擊年齡與地球上白堊紀末期恐龍滅絕事件的年代吻合，推測當時撞擊頻率突增，災變事件可能同時發生在地球和月球上。
4.機械力學、新材料、新礦物研究：助力月球開發
嫦娥五號月壤樣品中還首次發現了自然界存在的新礦物「嫦娥石」——一種含釔的磷酸鹽，其後續的成因研究將對限定嫦娥五號玄武岩經歷的演化歷史提供重要啟示。近期，我國科學家還披露了嫦娥五號月壤的機械力學性質，為未來月球車、科研站建設、載人探月等任務提供工程力學參考。同時，科學家還在利用嫦娥五號月壤開展原位資源利用方向的研究，例如原位製備燃料和氧氣、玻璃纖維的發現等，這些研究成果將從不同角度服務我國未來月球探測任務。
未來探月將走向何方
從古至今，月球一直激發著人類對浩瀚宇宙的嚮往和思考。月球探測不僅可以拓展月球科學的認知邊界，也為深刻認識地球的宜居性演化提供了新思路和視角。同時，月球探測還是深空探測的前哨陣地。月球獨特的大小、位置、表面和空間環境等條件是人類發展深空探測高新科技的天然試驗場和平台，在月球上發展對地觀測、對天觀測、空間實驗、資源利用、長期駐留作業等具有獨特優勢，這些積累會成為未來人類踏足更遠深空的跳板。
月球是人類邁向更遠深空的中轉站，是研究生命、太陽系和宇宙「三大起源」的重要途徑。在「繞、落、回」三步走戰略規劃圓滿完成後，我國探月工程將進入新階段——建設月球科研站。今年4月，中國探月工程總設計師、深空探測實驗室主任吳偉仁院士在2023年「中國航天日」第一屆深空探測國際會議上透露，國際月球科研站將按照3個階段分步實施，2030年前後建成國際月球科研站基本型，開展月球環境探測和資源利用試驗驗證；2040年前後建成國際月球科研站完善型，開展日地月空間環境探測及科學試驗，並建成鵲橋通導遙綜合星座，服務載人登月和火星、金星等深空探測；之後建設應用型月球科研站，由科研型試驗站逐步升級到實用型、多功能的月球基地。
當前，越來越多的國家加入到探月隊伍當中。為維護我國在深空疆域的正當權益，不斷提升我國月球與深空探測的深度與廣度是必走之路，中國航天人也將為人類深刻認識月球、地球以及太陽系的形成演化繼續貢獻中國智慧。
（中國科學院地球化學研究所李陽副研究員和曾小家博士、中國地質科學院地質研究所龍濤博士對本文亦有貢獻）
供圖：視覺中國
