月球，這顆距離地球最近的天體，是人類邁向星辰大海必須跨越的地方。
2024年6月25日，嫦娥六號返回器攜帶來自月球背面的月球樣品，在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸，標(biāo)志著探月工程嫦娥六號任務(wù)取得圓滿成功。1935.3克，這是人類第一份來自月球背面的樣品！此前，人類在月球上進(jìn)行了10次樣品采集，但都是在月球正面。這也是我國采集到的第二份月球樣品。2020年12月，嫦娥五號帶回約1731克月球正面樣品，科研人員對樣品開展了多項(xiàng)研究。
月球樣品能為我們揭曉什么秘密？令人期待。
月背采樣有什么不一樣
在嫦娥六號之前，人類共進(jìn)行過10次月球采樣：蘇聯(lián)3次，美國6次，以及我國嫦娥五號1次，均為月球正面。
嫦娥六號是嫦娥五號的備份，最初的目標(biāo)也是月球正面采樣。但隨著嫦娥五號在月球正面成功采樣并返回，嫦娥六號的目的地也發(fā)生了變化——月球背面。這顯然更具挑戰(zhàn)性。一方面，人類對月球背面了解更少，月背采樣面臨更多無法預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，受到月球自身的遮擋，處于月背的探測器無法與地球直接通信。因此，嫦娥六號在月背著陸和采樣，需要鵲橋二號中繼星提供通信“中轉(zhuǎn)站”服務(wù)。
嫦娥六號采樣和封裝過程中，科研人員會在距離月球38萬公里外的地面實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)鵲橋二號中繼星傳回的探測器數(shù)據(jù)，對采樣區(qū)的地理模型進(jìn)行仿真，并模擬采樣，為嫦娥六號的采樣決策和各環(huán)節(jié)操作提供支持。通過這種“人機(jī)協(xié)作”方式，輔助嫦娥六號及時(shí)研判控制鉆取風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場決策后續(xù)動(dòng)作。
但是，萬一中繼星和地面失去聯(lián)系，怎么辦？
據(jù)嫦娥六號任務(wù)總設(shè)計(jì)師胡浩介紹，科研人員設(shè)計(jì)了很多預(yù)案。其中一個(gè)是，提高嫦娥六號探測器的“自主技能”——一旦中繼星出現(xiàn)問題，嫦娥六號探測器可以自主開展活動(dòng)，自己給自己下達(dá)程序化指令，包括鉆取、提升、起飛等，自主判斷和執(zhí)行。
當(dāng)然，這個(gè)預(yù)案最后沒有用上，地月之間的中繼通信一直很暢通。不過，采樣過程仍然讓大家“提心吊膽”。
與嫦娥五號一樣，嫦娥六號也有兩種采樣方式：一是表取采樣，用機(jī)械臂攜帶采樣裝置采集月球表面的土壤；二是鉆取采樣，用一根鉆桿鉆入月球表層預(yù)定深度，采集較深層的土壤。
相比表取，鉆取的難度和不確定性更大。嫦娥六號著陸后，不能挪動(dòng)位置，鉆取過程如果碰到堅(jiān)硬的巖石，不可能換地方再鉆。但也不能輕易放棄，因?yàn)殂@取確實(shí)十分有必要——從月球表面到深部，月壤的物質(zhì)組成、粒度等性質(zhì)有很大差異，不同深度的月壤記錄的月球科學(xué)信息也不同。
為了確保“鉆得動(dòng)”，航天科技集團(tuán)五院研制團(tuán)隊(duì)開展了大量地面試驗(yàn)與仿真分析。他們結(jié)合月壤特性，設(shè)計(jì)了一種獨(dú)創(chuàng)鉆頭，并通過對比多種設(shè)計(jì)方案，確定取芯機(jī)構(gòu)方案以及相應(yīng)構(gòu)型，使其具備高硬度巖石的鉆進(jìn)能力。
不過，科研人員終究無法預(yù)測所有情況。在鉆進(jìn)1米多一點(diǎn)后，嫦娥六號遇到了狀況。“經(jīng)過專家們一致判斷，覺得可能是有石頭卡在那了。”胡浩說。這個(gè)石頭確實(shí)很硬，是繼續(xù)鉆，還是停止？一直鉆下去，也不是不行。但是，“再鉆下去可能會把前面鉆的一些成果丟掉。”胡浩說，嫦娥六號在月球上的工作時(shí)間是有限的，能量也是有限的，“再鉆可能就影響到后邊的任務(wù)”。這也正是月球背面采樣，以及航天探索的魅力——在太空中，總會有不期而遇的“意外”發(fā)生。
權(quán)衡之下，停止鉆取，開始采樣。盡管沒有達(dá)到預(yù)想的鉆取深度，但通過表取和鉆取的配合，嫦娥六號仍然采集到了1935.3克月球背面樣品。“我們的目標(biāo)是兩公斤月壤，容器設(shè)計(jì)就這么大，再多也裝不下。”胡浩說。
嫦娥五號月壤研究已發(fā)表100多篇高質(zhì)量論文
6月28日，嫦娥六號月球樣品由國家航天局移交至中國科學(xué)院，開展月球樣品的存儲和處理，啟動(dòng)科研工作。
與此同時(shí)，科研人員對嫦娥五號月球樣品的研究仍在繼續(xù)。過去3年多以來，國家航天局已向國內(nèi)131個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)放科研樣品。通過對這些樣品的研究，科研人員在月球形成與演化、太空風(fēng)化作用及資源利用等多個(gè)領(lǐng)域取得重大成果。其中，有兩項(xiàng)研究成果備受關(guān)注。一項(xiàng)涉及月球壽命，一項(xiàng)關(guān)乎月球水資源。
與地球類似，火山和地震等是月球最直觀的地質(zhì)活動(dòng)現(xiàn)象。月球的巖漿作用一旦停止，便意味著月球地質(zhì)意義上的“死亡”。因此，月球巖漿作用到底什么時(shí)候停止的，一直是月球演化歷史研究中的重大科學(xué)問題之一。
此前，美國“阿波羅”月球樣品研究表明，月球上的火山巖年齡都超過30億年，因此，科學(xué)家推測月球的生命在那時(shí)就停止了。但通過對嫦娥五號月球樣品中玄武巖的研究，科研人員發(fā)現(xiàn)，這些玄武巖是19.6億年前由火山噴發(fā)形成的，是迄今發(fā)現(xiàn)的最“年輕”的月球玄武巖。
也就是說，月球的巖漿活動(dòng)可能一直持續(xù)到19.6億年前。科研人員指出，對比“阿波羅”樣品研究結(jié)果，目前已知月球地質(zhì)壽命相當(dāng)于“延長”了約10億年。
嫦娥五號樣品研究不僅改寫了月球的壽命，也回答了大家非常關(guān)注的另一個(gè)問題——月球上是否有水。
科研人員對嫦娥五號月壤中的輝石、橄欖石和斜長石礦物開展研究，發(fā)現(xiàn)嫦娥五號礦物表層中存在大量的太陽風(fēng)成因水。據(jù)估算，太陽風(fēng)質(zhì)子注入為嫦娥五號月壤貢獻(xiàn)的水含量至少為170ppm(即100萬分之170)，相當(dāng)于每噸月壤中至少含有170克的水。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些太陽風(fēng)成因水可在月表中、高緯度地區(qū)得到較好保存，證實(shí)月表礦物是水的重要儲庫，還為月表中緯度地區(qū)水的分布提供了重要參考，對月球水資源的利用具有重要意義。未來，我們將在月球建立國際月球科研站，實(shí)現(xiàn)人類在月球的長期駐留和工作。如果能在月球上開發(fā)和利用水資源，好處是顯而易見的。
此外，還有更多研究成果拓寬和深化了我們對月球的認(rèn)識：
——科研人員在月壤中發(fā)現(xiàn)了一種全新的礦物，并將其命名為“嫦娥石”。這是人類在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物，我國也成為世界上第三個(gè)在月球發(fā)現(xiàn)新礦物的國家。
——通過對月壤進(jìn)行階段升溫提取氦-3的方式，科研人員確立了月壤氦-3的最佳萃取溫度參數(shù)。作為潛在的核聚變?nèi)剂希?3被認(rèn)為是一種未來能源。這些關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)為以后月球氦-3資源總量估算，以及氦-3資源的勘探開發(fā)提供了基礎(chǔ)支撐。
——科研人員首次在月壤樣品中發(fā)現(xiàn)天然形成的石墨烯，拓寬了人們對月壤復(fù)雜礦物組成的認(rèn)知，為月球的原位資源利用提供了重要信息及線索。石墨烯以其獨(dú)特的物理特性，在包括行星和空間科學(xué)在內(nèi)的廣泛領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
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“科研成果非常豐富。”嫦娥六號任務(wù)副總設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院國家天文臺研究員李春來說，這么短時(shí)間內(nèi)，月壤研究已經(jīng)有100多篇高質(zhì)量的論文發(fā)表，一些成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》《科學(xué)》等重要學(xué)術(shù)刊物上。
目前，我國已經(jīng)啟動(dòng)嫦娥五號月球樣品的首次國際申請和評審工作。不久的將來，我們或許也會收到國外科學(xué)界帶來的驚喜。
月背樣品將讓我們看到一個(gè)更完整的月球
嫦娥五號月球樣品的研究，揭曉了那么多關(guān)于月球的奧秘，這讓我們對嫦娥六號的月背樣品更加充滿期待。
“以往采集的樣品，我們只認(rèn)識到半個(gè)月球。”李春來說，月背樣品有望為研究月球的二分性、完整了解月球的歷史，提供機(jī)會。
嫦娥六號之所以選擇在月球背面的南極-艾特肯盆地采樣，為的就是盡可能采到與過去不同的月球樣品，從而更全面地研究月球。與月球正面相比，月背有更多撞擊坑，月海范圍更小。而且，月背起伏大、地勢較高，地面更加粗糙。
“我們在采樣過程中就感覺月球背面和正面的月壤不太一樣，正面的比較細(xì)膩、松散，背面的狀態(tài)似乎不太一樣。”胡浩說。
李春來指出，南極-艾特肯盆地是月球上已知最大、最深、最古老的盆地，礦物化學(xué)成分可能與正面有非常大的差別。研究這里的地質(zhì)構(gòu)成、物質(zhì)組成、演化歷史，有助于了解月球的地質(zhì)演化歷史，揭示月球背面特有的地質(zhì)構(gòu)造和物質(zhì)成分的差異，更全面地了解月球的地質(zhì)演化歷史。
既然來自月球最古老的盆地，那嫦娥六號樣品中很可能發(fā)現(xiàn)月球的古老物質(zhì)。中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所專家楊溢指出，根據(jù)撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年，南極-艾特肯一帶年齡約42億年，可能分布有月表最古老的巖石。嫦娥五號樣品中發(fā)現(xiàn)了目前月球最年輕的玄武巖，那么，嫦娥六號樣品是否能發(fā)現(xiàn)月球最古老的巖石和可定年的礦物？
除了尋找最古老的巖石，嫦娥六號樣品還可能發(fā)現(xiàn)月球深部物質(zhì)。
嫦娥六號著陸的阿波羅撞擊坑，位于南極-艾特肯盆地內(nèi)部，是一個(gè)多次撞擊形成的“盆中之盆”。專家認(rèn)為，這里可能是月殼最薄的位置之一，是月球深部物質(zhì)潛在出露區(qū)，更容易獲得月球深部物質(zhì)。
“深部物質(zhì)非常珍貴，也很難有機(jī)會獲得。”李春來說，嫦娥六號采樣點(diǎn)受到早期撞擊事件的拋射，很可能采集到月球深部，甚至月幔的樣品，為研究月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分提供寶貴數(shù)據(jù)。
而且，來自撞擊坑的月球樣品，還可以為研究月球早期的撞擊歷史，甚至地球的早期撞擊過程提供機(jī)會，有助于了解太陽系早期的演化歷史，推動(dòng)比較行星學(xué)的研究。
此外，與嫦娥五號一樣，尋找水資源也是嫦娥六號月背樣品研究的一個(gè)重要議題。楊溢指出，月球正面受到“地球風(fēng)”影響，相對富氧、富水。根據(jù)遙感光譜研究，月球背面雖然不如正面富氧、富水，但也存在少量富氧、富水區(qū)域，甚至發(fā)現(xiàn)了赤鐵礦等名義含水礦物(指化學(xué)式中包含水分子，實(shí)際上不以液態(tài)水形式、而以水合物或羥基等形式存在的礦物)。
“嫦娥六號如果采集到名義含水礦物，或者樣品包含特殊的水賦存狀態(tài)，將是非同尋常的突破。”楊溢認(rèn)為，這對于月球水資源研究非常有意義。
當(dāng)然，對人類首份月背樣品的研究，還有更多可能。比如，是否也會發(fā)現(xiàn)新的礦物？月球原位資源利用會有什么新突破？
為開展月背樣品研究工作，探月工程地面應(yīng)用系統(tǒng)總體單位中國科學(xué)院國家天文臺將對嫦娥六號月背樣品進(jìn)行制備和分裝。嫦娥六號任務(wù)新聞發(fā)言人葛平6月28日透露，預(yù)計(jì)半年后，能夠向國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和科研人員開放申請。
另外，國家航天局此前已制定月球樣品及科學(xué)數(shù)據(jù)的國際合作實(shí)施細(xì)則，并公布了月球樣品研究的申請流程。“歡迎各國科研人士按照有關(guān)流程提出申請，共享惠益。”國家航天局國際合作司負(fù)責(zé)人劉云峰說。月球的更多秘密等著科學(xué)家一一揭曉。
(本報(bào)記者 陳海波)