登月50年後,又一批月壤將走出保險箱……

2019年07月21日 来源:新浪新闻

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  來源:帶你去看耿耿星河微信公眾號 作者:孟治國 王善欽 平勁鬆

  1969年7月21日,宇航員阿姆斯特朗從阿波羅11號釋放到月球的登陸艙上走向月球,然後他說了一句名言:“這是我的一小步,是人類的一大步。”到1972年,美國國家航空航天局(NASA)共執行了7次登月任務,除了阿波羅13號因中途產生的故障而被迫返航之外,其餘6次都獲得了成功,而且每次任務都帶回了月球的岩石與土壤。它們中一部分用於科學研究和科普教育,而其中的大部分一直被封存。

在第一次阿波羅16號艙外活動中收集樣本的查理·杜克在第一次阿波羅16號艙外活動中收集樣本的查理·杜克

  今年7月21日是人類首次登月50周年紀念日,NASA計劃在今年將啟封一小部分封存至今的月球岩石與土壤,利用現代技術進行研究。

  月球岩石帶來重要信息

  阿波羅11號到17號任務期間,共有約382公斤月球岩石與土壤被帶回地球。同期,前蘇聯的登月探測器“月亮”係列探測任務也帶回了約0.3公斤的月球土壤樣品。

  這其中一小部分樣品成為地質學家與天體化學家的重要研究對象,特別是為判定月球表麵物質的年齡提供了參考依據。

“阿波羅”15號帶回的樣品15415,被稱作“起源石”,它幫助科學家們提出了關於月球起源的重要理論“阿波羅”15號帶回的樣品15415,被稱作“起源石”,它幫助科學家們提出了關於月球起源的重要理論
 在“阿波羅”15、16和17任務期間收集的5塊個樣品在“阿波羅”15、16和17任務期間收集的5塊個樣品

  由於月球上沒有空氣,月球上的岩石和土壤受到的風化侵蝕主要來自太陽風和宇宙粒子輻射。它們還受到晝夜交替太陽光照帶來的熱膨脹與收縮作用,以及頻繁的隕石撞擊。後者不僅給月球表層土壤帶來了新的天外物質補充,還把岩塊撞擊成細微至10—200微米的塵埃,以至於可以快速透過宇航員的宇航服而威脅到載人月球探測的安全。

  月球岩石與土壤包含了豐富的月球本身、月麵空間天氣環境、太陽係小天體、宇宙輻射等的豐富信息,對其研究解開了眾多關於月球本身的謎團,也使人們獲得了許多重要成果。

  這些采樣分析成果,為後續包括我國“嫦娥”月球探測工程和日本、印度的月球探測計劃實施,提供了直接參考和探測數據標定依據。

  比如,使用標定後的月表光譜成像探測數據,科學家獲得了月球表層精細的氧化鈦鐵的含量,發現其含量遠遠低於通過吸積過程生成一個固體行星的應有含量。

阿波羅11號登月艙附近的月球表麵照片阿波羅11號登月艙附近的月球表麵照片

  我國學者以此為線索重建了地球被撞擊後拋出的殼幔物質和撞擊天體聯合構築形成月球的過程。另一個重要的結果是,嫦娥四號在月麵南極盆地的著陸區發現了大量橄欖石成分,它們很可能來自月球深部,因撞擊來到這裏。

  通過研究月球岩石,並與月球激光測距50年的結果融合比對分析,還讓人們首次確認月球和地球一樣有殼、幔與核,這樣的內部分層結構與地球類似。

  對月球岩石的研究不僅促進了對月球的認識,還促進了行星科學的發展。

  人們在研究了這些月球岩石與土壤之後,確定了水星與火星表麵部分的年齡,確認了木星、土星、天王星與海王星這樣的大行星在靠近太陽的地方形成、然後再向外遷移到現在的位置,還對一些小行星有了更深入的理解。

阿波羅17號航天員正在采集月岩樣本阿波羅17號航天員正在采集月岩樣本

  可以毫不誇張地說,月球上取得的岩石與土壤使人類對月球乃至於整個太陽係的了解大大加深,為人們認識月球與太陽係天體的物理性質甚至起源提供了非常重要的信息。

  嫦娥五號也將登月取土

  雖然尚未有中國人登上月球,但我國在月球岩土無人取樣這方麵快速進步。嫦娥三號於2013年12月在月球上軟著陸,通過對月球土壤的著陸探測研究,發現了有別於阿波羅任務采樣的新的月表礦物。

  同時,進行了雨海地區分層結構研究,重新認識了該地區多期次玄武岩活動特征。嫦娥四號則於2019年1月成為世界上首次在月球背麵軟著陸的探測器,通過對月球土壤的著陸探測分析,深化了對南極艾肯盆地的撞擊形成過程和下月殼甚至上月幔物質組成的認識。

  這兩次任務驗證了軟著陸的技術。在此基礎上,嫦娥五號將在月球上軟著陸之後,獲取月球土壤。

“嫦娥三號”拍攝的月球表麵“嫦娥三號”拍攝的月球表麵

  按照計劃,嫦娥五號的著陸器將在登月後采集月球土壤,然後發射升空,與軌道器對接,將月壤帶回地球。根據設計,嫦娥五號可以帶回大約2千克位於月球表麵2米深度範圍內的月球土壤。

  對這些月球土壤的研究,將有力促進人們對月球的認識。當前,這個計劃正在進行之中,嫦娥五號計劃於今年年底用長征五號發射升空。

  新的發現表明,月壤盡管缺少水,但在1噸月壤中平均含有6個礦泉水瓶的水可供提取使用。嫦娥五號著陸器采集的月球土壤將為評估其著陸區域月壤中水的含量提供直接的依據。進一步地,可以使用地球火山灰模擬該采樣的月壤,搭建環境場所,為未來月麵長期駐紮探測提供研究測試和訓練。這項月壤仿真和應用研究在我國也已經開展了多年。

  認識月球未必要著陸

  除了直接登月、取回土壤之外,人們還用其他多種方法研究月球。最符合傳統風格的方式就是用地麵望遠鏡與繞月衛星直接觀測月球表麵。

  隨著望遠鏡技術越來越強大,用望遠鏡看到的月球細節也越來越清晰。

  例如,1994年,NASA發射的一個繞月衛星首次獲得了接近完整的“月圖”;1998年,NASA發射的另一個繞月衛星發現月球兩極的氫超過預期值,並推斷這可能是月球兩極水冰導致的。

  中國、日本、歐洲、印度在過去分別發射多個繞月探測器探測月球。

  如歐洲在2004年發射的探月衛星研究了月球表麵的化學成分。中國分別於2007和2010年發射的嫦娥一號與嫦娥二號衛星獲得了全球第一幅完整的月球影像圖以及微波亮溫圖,並進行了世界上精度最高的月表質填圖。

  NASA在2012年發射的繞月衛星研究了月球的內部分層結構。日本和印度在此期間也發射了各自的繞月衛星。這些任務使人們進一步了解了月球表麵形態與化學成分以及月球內部結構,使得我們對月球的認識在過去幾十年不斷深入。

  認識月球的另一個重要方法,是用類似於地震儀的儀器來探測月球的震動,再用月震學方法來研究儀器探測到的信號。由於外太空天體的撞擊、月球部分區域的滑坡事件與月球內部的活動,月球上會經常發生月震。

  早在1969年阿波羅11號任務期間,宇航員就在月球靜海西南區域放了月震儀。此後的幾次登月任務中,又有五個區域被放置了月震儀。

  這些月震儀構成一個探測網絡。此後對上萬次記錄到的月震信息的研究表明,月震持續時間比地震長得多,人們也從那些月震數據中推斷出月球的分層結構信息,包括月核、月幔與月殼的厚度與密度。

  最近的一項研究使用了阿波羅12、14、15與16號放置的月震儀從1969年到1977年之間探測到的數據,發現月球的半徑正在縮小。

  用新技術研究舊樣品

  阿波羅號從月球上取回的土壤與岩石,在從月球取出的時候就用真空包裝或者放在充氦氣的容器中,此後一直存放在充氮氣的環境中,未受到地球大氣的汙染,也沒有被碰觸過。到現在,最久遠的一批樣本被密封的時間已經達到50年。在過去50年間,它們幾乎沒有發生變化。

NASA約翰遜航天中心的月球實驗室裏,展示著阿波羅15、16和17任務期間收集的各種月球樣品NASA約翰遜航天中心的月球實驗室裏,展示著阿波羅15、16和17任務期間收集的各種月球樣品
阿波羅17號收集的一塊35億年前的玄武岩樣本,它被用來製作贈予世界各國的禮品阿波羅17號收集的一塊35億年前的玄武岩樣本,它被用來製作贈予世界各國的禮品

  現在,NASA正計劃重新開啟一部分保存著月球岩石與土壤的保險箱,讓人們用如今最新技術研究它們。為了避免在取出的過程中被汙染或者破壞,有關人員正在用實體模型來模擬取出的過程。

  由於技術的進步,人們現在隻需要50年前用量的百萬分之一的樣品,就可以得到一樣可靠的研究結果。更重要的是,由於有了大量之前沒有的技術,人們可以從中獲得更多重要信息。

  來源:科技日報 文中圖片來自NASA及網絡

  編輯:劉義陽

  審核:管晶晶

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