2024年6月2日，嫦娥六號在月球背面南極-艾特肯盆地中的預選着陸點着陸，順利完成月壤與月岩採樣任務。4日7時38分，嫦娥六號上升器攜帶月球樣品自月球背面起飛，並成功進入預定環月軌道，踏上回家的路。
嫦娥六號首次月背“挖寶”的壯舉令世界矚目，那麼，月背採樣難在哪兒？為何人類執着於探索月背？其科研價值對未來月球的探索有哪些貢獻？我們請中國科普作家協會會員雷淼來說說。
月球的背面有多神秘
月球的自轉與公轉周期完全相同，所以在地球上永遠只能看到它的正面，看不到背面。這種現象被稱為“潮汐鎖定”，是引力作用下的必然現象，在太陽系的眾多衛星中非常普遍。
1959年，蘇聯的月球3號探測器首次拍攝到月球背面的影像。1968年，美國的阿波羅8號繞月飛行時，3位宇航員成為第一批看到月球背面的人類。直到2019年，中國的嫦娥四號在月球背面着陸，才終於有探測器抵達這片神秘的領域。
令科學家吃驚的是，月球兩面的外觀明顯不同。月球背面入眼皆是單調乏味的撞擊坑，大家熟悉的月球正面那種明暗有致的浪漫圖案，在月球背面基本不存在。如果直接把月球背面的照片擺到眼前，很多人的第一印象估計以為是水星，不會想到是月球。
月面上的暗色月海是玄武岩岩漿“澆鑄”出的平原，而明亮的月陸則以斜長岩的山地為主。為什麼月海集中在月球正面呢？目前有多種猜想，尚無定論。例如，有假說認為是地球潮汐力的作用，使得月球正面的岩漿更易湧向表層；也有假說認為，在月球形成早期遭受小天體的無差別轟炸期間（這種轟炸當時在整個太陽系都很盛行），月球背對熾熱地球的那一面率先凝結了較厚的月殼，因此玄武岩噴涌更容易出現在月球正面。也許月球的兩面差異是由多種原因綜合造成的，目前的各種假說都只解釋了部分成因。
在太陽風的吹拂下，地球磁層被塑造成拖着長尾的水母形狀。滿月前後，也就是月球正面朝向太陽的期間，月球會運行到長尾里，被地球的磁層罩護，此時也會有從地球大氣逃逸的粒子飄向月球；而在新月前後，月球會運行到磁層“海蜇頭”以外，此時月球背面朝向太陽，會遭受太陽風的猛烈衝擊。所以，月球正面和背面所處的空間環境是不同的，水合礦物含量、空間風化特徵與月塵的電磁學性質等也會有差異。
實勘深入認知月球
人類想深入認識月球的形成與發展，就必須了解月球的正反兩面。過去，科學家對月球的探勘與着陸活動都集中在月球正面，而中國探月工程對月球背面進行的實地勘測，在深入認知月球的道路上留下了月球背面的第一行履跡。
從對月球背面的宏觀認識來說，蘇聯和美國早有收穫。20世紀60年代，兩國先後發射繞月探測器，對背面在內的月球表面進行過測繪，發布過全月模型與月球地質圖。月球地質圖能夠系統提供月殼表面地層、構造、岩性和年代等方面的綜合地質信息，反映月球岩漿作用、撞擊事件、火山活動等演化過程。
自中國探月工程實施以來，各次嫦娥任務儘管主要是落在月球正面，卻都在環月飛行過程中對月球表面包括背面進行過測繪。2022年，中國科學院以嫦娥一號到嫦娥四號任務獲得的大量科學探測數據為基礎，並綜合國際上已有的其他月球地質資料和研究成果，繪製了世界首幅1:250萬月球全月地質圖，其精度約為此前月球全月地質圖的2倍。
中國的全月地質圖建立了撞擊坑物質、撞擊盆地構造、岩石類型和構造類型的劃分體系，提出了新的月球地質年表，採用“三宙六紀”的劃分方案，將月面歷史分為冥月宙（岩漿洋紀）、古月宙（艾肯紀、酒海紀和雨海紀）、新月宙（愛拉托遜紀和哥白尼紀）。這三宙分別代表着月球演化過程中以內動力地質作用為主的階段、內外動力地質作用並重的階段，以及外動力地質作用為主的階段。說得直白些，它們的劃分依據側重於岩漿運動和外來撞擊的權重變化。
中國探月工程也收穫了對月球背面局部的深入認知。2019年1月3日，嫦娥四號懷抱玉兔二號在月球背面南極-艾特肯盆地內的馮·卡門環形山着陸。根據探測器搭載的可視-近紅外成像光譜儀的初始觀測結果，科學家推斷月面上的低鈣輝石與橄欖石礦物可能起源於月幔，這也是人類首份關於月球背面幔源物質的初步證據。
根據嫦娥四號的測月雷達和相機數據，科學家研究建立了嫦娥四號着陸區深達40米範圍內的地層剖面及多期次濺射物覆蓋關係，首次揭開月球背面地下結構的面紗，提高了人類對月球撞擊與火山活動等地質演化歷史的理解。嫦娥四號還對在月面上建立生態系統進行了預研。它帶有一個生物試驗載荷罐，內有種子、昆蟲卵和酵母菌。在該試驗中，載荷罐里的低酚棉種子萌發並存活了212小時45分鐘，成為月球上首次長出的地球植物嫩芽。
截至2024年5月，玉兔二號已在月球背面行駛了1596米，工作情況正常，它是在月面上工作時間最久的月球車。玉兔二號通過對着陸區的光譜、石塊分布、淺層結構進行分析，獲得着陸區形貌和物質礦物組成、來源、特性等科學結論。它首次通過原位探測直接得到月球深部物質組成，揭示月球背面特別是南極-艾特肯盆地複雜的撞擊歷史，給月壤形成與演化模型提供了關鍵證據，成為日後南極着陸和巡視探測選址的重要參考。
與嫦娥四號一樣，此次嫦娥六號也着陸於南極-艾特肯盆地。南極-艾特肯盆地是月球上最大、最深、最古老的盆地，它形成於大約42億年前的一次巨大撞擊，撞擊的力度可能直透月殼，深抵月幔。在此地採集到的月壤、月岩樣本，可以獲取到有關月球演化史以及月球內部的信息。說到“古老”，大家可能會好奇，如何知道某處年代古老呢？有個相對簡單的方法就是“數坑”。古老的月表遭受的撞擊次數較多，另外，新坑會疊在老坑上面（反之則不行），根據坑數和疊加關係，就可以判斷各處的地質年代。
南極-艾特肯盆地直徑2500公里，所以更明確地說，嫦娥六號是在“盆中之盆”阿波羅環形山附近着陸。這個環形山也不小，直徑大約524公里，是非常古老的一座環形山。它沒有撞擊噴濺的輻射紋系統，部分地表已被黑暗的熔岩掩蓋，上面布滿眾多較小的撞擊坑和幾座被熔岩填塞的小型月海。在南極-艾特肯盆地的地貌中，阿波羅環形山很有代表性，對它的實地考察可進一步了解該處的形成和構造歷史。
月背採樣將帶回哪些“驚喜”
嫦娥六號肩負着人類首次月背採樣的重任，那尋找這些物質對於月球探索有什麼意義？月背採樣與月球正面的採樣又有何不同呢？
據中國科學院地球化學研究所介紹，嫦娥六號在阿波羅盆地採樣的主要任務包括尋找新礦物、尋找深部物質、尋找古老物質、研究蘇長岩、尋找名義含水礦物、尋找高壓礦物等。
新礦物由於月球的形成歷史和條件與地球差別很大，而且月球本身結構也不均一，所以嫦娥六號在月背着陸點很可能發現新的礦物與岩石。
深部物質南極-艾特肯盆地是月球上最大最深的古老撞擊盆地，撞擊力度極大，有些月幔物質可能會翻到表面上來。但是，在月幔物質熔化-冷凝的過程中，不同化學成分的礦物岩石分離，會變得難以識別，也有可能被後來的撞擊濺射物掩埋，因此實地勘測才能得到比遙感數據更可靠的真實樣本。
古老物質前文說過，根據數坑法可以大致認定月表各處的地質年齡。目前所知的南極-艾特肯地區大約是42億歲，如果獲取岩石樣本，對可定年的礦物（如鋯石、磷灰石等）進行更可靠的同位素測定，就能夠進一步修正認知。
蘇長岩根據遙感數據，南極-艾特肯盆地的主要岩石類型是蘇長岩。蘇長岩的成因較多，有可能是深部物質，也有可能來自撞擊後的熔融物分離。研究蘇長岩的成因，有助於研究該盆地的演化歷史。
名義含水礦物當月球運行到地球磁尾時，逃逸的地球大氣分子會飄到月球，月球有可能受其影響形成名義含水礦物，即沒有水分子卻有水合物或羥基結構的分子。理論上說，月球背面不會像正面那樣“雨露豐沛”，但萬一有所發現，就會是很有意義的突破。
高壓礦物阿波羅環形山既是撞擊地形，又可能是深部物質的暴露區。撞擊本身意味着高壓，而月幔深部的壓力本身也不小，所以這裡具有形成高壓礦物的有利條件。
為了達到更好的採樣效果，嫦娥六號採取了表取和鑽取兩種取樣方式。表取就像掃地一樣，把表面月壤扒拉到收集器里，鑽取則需深入月面最深2米處。二者取得的樣本有不同含義：表取的月壤長期暴露，更多地反映了月球背面的空間環境，月壤中甚至可能含有外來撞擊天體的成分；而鑽取的樣本則反映了月壤的堆疊發育，有助於認識月球的發展歷程，所以鑽取獲得的月壤、月岩，其層次結構在封存時必須保持原樣，不能一股腦兒倒入收集器。有網友提問，表取為什麼不用吸塵器？按說這樣取樣更方便，樣本量更大。原因是月球沒有大氣，吸塵器是無法工作的。2020年，美國的奧西里斯王號探測器在貝努小行星取樣時，用的辦法是猛吹一口氮氣，把小行星表面的石礫沙塵吹進收集器，最終獲得了121.6克的小行星樣本。
有嫦娥五號的月球正面採樣在前，很多人關心嫦娥六號這次能帶回什麼“驚喜”？作為嫦娥五號的備份星，嫦娥六號在基本設計上與嫦娥五號相同，不同的是它們的着陸地點。嫦娥五號在月球正面年輕的呂姆克山地區着陸，為的是研究月球地質活動的最晚期限。而嫦娥六號要研究的是月球早期演化歷史，所以，可以期待它帶回的樣本與嫦娥五號迥然有異。按照以往慣例，月壤、月岩研究是個細緻的過程，耗時較久，屆時“驚喜”自會揭曉，大家可拭目以待。
嫦娥六號承前啟後突破關鍵技術
其實，嫦娥六號屬於中國探月工程的追加計劃。中國的整個月球計劃原本分為“探、登、駐”（探月、登月、駐月基地）的“大三步”，其中“探”又分為“繞、落、回”（繞月飛行、月面着陸、取樣返回）“小三步”。此前，嫦娥一號、嫦娥二號實現了“繞”，嫦娥三號、嫦娥四號做到了“落”（三號落正面，四號落背面），到嫦娥五號取樣返回時，探月工程事實上已經完成了“回”。所以，2021年探月工程又追加了一步“勘”，稱為探月工程第四期，嫦娥六號到嫦娥八號的目標都是對月球展開包括地形地貌、物質構成和空間環境在內的綜合勘測與科研活動，並驗證部分關鍵技術，為“登”和“駐”做一些前期探索。
有了這幅更大的圖景，大家就能看明白，為什麼嫦娥七號和嫦娥八號將來要奔赴月球南極，又為什麼要提前發射鵲橋二號中繼通信衛星。在地球上“萬物生長靠太陽”，然而在月球上，太陽就讓人愛不起來了。月球的真空環境保不住液態水，白晝溫度可達120℃，大部分地方留不住冰。而有可能存在冰的地方，是在月球兩極環形山的山窩窩裡，科學家稱之為“永夜坑”，以月球南極居多。所以，倘若能在那裡勘到水冰乃至水合礦物的存在，對於建設駐月基地十分有利。
在月球南極很難和地球進行有效通信，所以中國發射了鵲橋二號中繼通信衛星，讓它覆蓋月球南半球天空，搭起探測器和地球的通信橋樑。這次嫦娥六號的月背任務，就是在鵲橋二號中繼通信衛星的協助下完成的。
因此，嫦娥六號在中國探月工程中的作用是承前啟後，它突破了月球逆行軌道設計與控制技術，以及月背智能採樣與起飛上升技術。中國探月工程也藉助嫦娥六號的契機，與多個國家開展了有效的科技合作。比如，嫦娥六號搭載的着陸載荷有意大利的漫遊激光角反射器、法國的氡氣探測儀和歐空局/瑞典的月表負離子探測儀等。此外，軌道器外部還掛載了巴基斯坦與上海交通大學合作的一顆立方星，這顆微型衛星擔負著在月球軌道上拍照與探測月球磁場的任務。
對於嫦娥六號在月球背面的成功着陸，各國航天界也給予了高度關注。路透社稱，中國第二次登上月球背面，這是其他國家都沒有到達的地區。美國《太空新聞》網站稱，此次着陸是將獨特且科學價值極高的月球樣本帶到地球進行分析的關鍵一步。毫無疑問，嫦娥六號任務的成功，讓全世界對中國的航天實力和科技創新有了全新認識。而對於中國而言，隨着嫦娥七號、嫦娥八號等一系列探月任務相繼登場，有望在月球樣品返回、月球南極極地探測等領域取得更多重大突破，為人類探索太空做出更大貢獻。
供圖：視覺中國
