挖到的月壤不仅能种地，还能考古？

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                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

2024年的夏天，嫦娥6号探测器首次完成在月球背面着陆。嫦娥6号不仅插上了中国的国旗，还开采并带回了超过4磅重的月岩和月壤。（4磅合计1.8144kg，实际带回样品1.9353kg）。这一成就被广泛赞誉为“科技界的壮举”。
自1970年以来，当今的嫦娥6号和2020年发射的嫦娥5号，再度为人类取回了月球样品。这些样品将在美国阿波罗号任务取回样品的基础上，进一步揭示月球的形成和形貌变化的原因，为我们提供有关太阳系历史的线索。
不过，你或许还会感到费解：为什么月球背面（与地球永远相对的半侧）和正面间存在着根本上的不同。发现月球火山比先前猜想的更加活跃，能够证明什么观点？在圣母大学（University of Notre Dame）从事月球探索的地质学家克莱夫·R·尼尔（Clive R. Neal）谈到，“我们越是观察月球，就能发现更多，然后意识到原来我们是如此无知。”

2024年，中国嫦娥6号探月工程从月球背面带回了超过4磅的月岩


美国国家航空航天局（NASA）计划在2027年载人重返月球，上一次登月还要追溯到1972年。地质学家对于可能采集到的月岩样品和背后蕴藏的科学发现激动不已。他们畅想能够在月球开采资源建造月球基地，或者把月球上的可再生能源带回地球。
月球起源
1970年代，美国的阿波罗任务和苏联的探月任务扫清了科学家们关于月球历史的疑云。因为月球样品和地球岩石具有很多相似成分，这使人们更加相信月球是由一个和火星相当大小，名为忒伊亚（Theia）的天体，与原始地球在大约45亿年前相撞而形成的。
撞击产生的残骸被抛向环地轨道，最终结合形成月球。月球起初处于完全熔融状态。几亿年后，岩浆海逐渐冷却，形成了月壳和月幔。巨大熔岩池填满了撞击坑，沉降在月球低地，形成月海；高地和火山穹丘则耸立在上方。火山活动最终消失。
月球没有板块构造和气象，能够改变它坚冷表面的只可能是陨石。阿波罗时代取回的许多月壤样本，都诞生于大约39亿年前撞击时产生的热量和高压。这一结果表明，它们产生于后期重轰炸期（Late Heavy Bombardment，约41亿年前至38亿年前）中太空岩石的连续剧烈撞击。
但1970年代以来的研究改变了这一认知。举例来说，高分辨率的轨道图像显示：许多大型撞击坑的形成年代远超39亿年。在地球上找到的大碰撞时代的月球陨石也具有相当大的年代跨度。
所有的这些研究表明，小行星撞击并非在短时间内大量发生，而是发生在更长的时间范围内，估计从42亿年前持续到34亿年前。在这种情况下，阿波罗飞船采集的样品很可能都来自于同一场撞击：岩石大面积地散落，碰巧涵盖了阿波罗时代的各个着陆点。
月球：死亡还是存活
月球上的火山活动还笼罩着更大的谜团。“在学校里，我学到的经典理论是，月球早在几十亿年前就处于地质意义上的死亡状态，”NASA约翰逊航天中心的行星科学家塞缪尔·劳伦斯（Samuel Lawrence）说。
科学界的固有观点是，像月球这样的小型天体会快速向太空释放热量。而一个冰冷、熄灭的月球不应该存在大面积的火山活动。阿波罗时代采集的样品表明，月球上大部分的火山活动在30亿年前即已停止，进而支持了这一理论。但最近二十年的研究又推翻了这一观点。

中国在2022年发布的地质图是迄今为止所有公开资料中最详细的全球地图。它涵括了2020年嫦娥5号任务收集到的信息。


2014年，劳伦斯和他的同事们提出，NASA月球勘测轨道飞行器（LRO）在月海中部发现了零星分布的不规则地形，这是直到1亿年前才停止的火山活动的结果。“这非常、非常令人惊讶，”加州大学戴维斯分校（University of California，Davis）的天体化学家尹庆朱(Qing-Zhu Yin)说。
最近带回的样品为火山活动近期才消失的观点提供了更为明确的证据。2020年，嫦娥5号着陆风暴洋（Oceanus Procellarum），这一地区的地质年龄更加年轻，只形成了少数几个撞击坑。不出所料，这次带回的火山岩仅形成于20亿年前，是迄今为止地质年龄最为年轻的月球样品。“这可是个大新闻，” 曾参与NASA阿波罗任务的布朗大学（Brown University）行星地质学家吉姆·赫德（Jim Head）说。
除此之外，研究者们仔细检查了嫦娥5号带回土壤样品中的数千个玻璃珠，其中大部分都是由撞击形成的。他们发现，其中三颗玻璃珠是由火山形成的，而且只有1.2亿年的历史。这一发现刚刚在去年发表（Wang, B.-W. et al.Returned samples indicate volcanism on the Moon 120 million years ago. Science385, 1077-1080 (2024).），并且仍然有待证实。但如果这些年份站得住脚，将会说明月球时至今日都可能具有生产岩浆的能力，尹说。
所有这些证据都表明，月球可能并没有像人们预想地那样迅速冷却。一些近期的火山活动可能由地下的放射性元素驱动，产生足够的热量生成岩浆，并集中在月球的特定区域。这就可以解释1.2亿年前形成的火山玻璃珠的成因。但并非所有的早期火山活动都能用这种方法解释得通：嫦娥5号带回的火山岩，以及嫦娥6号带回的一些年龄为28亿年的火山岩，其母岩并未富集这些放射性元素。
“它提出的问题比解答的还要多，”尼尔说道，“这对于像我这样的人来说是工作保障——现在我们有了新的问题要解决。”
月球探索的未来
要解开这些谜团颇具挑战性，因为月球的大片区域仍未被探索过。尽管已有大约850磅的月岩和月壤被带回地球，它们也只是来自于少数几个采样点。

这张地图展示了1969年至2020年间，美国、苏联和中国的探月工程在月球正面采集月球样品的所有采集点。2024年，中国的嫦娥6号首次从月球背面带回了样品。（图中未标注）


嫦娥6号从月球上最大、最深，同时也是最古老的撞击坑南极-艾特肯盆地（South Pole–Aitken basin）带回了月球背面的首批样品。研究者们迫切希望能够利用这些样品确定月球背面和正面存在巨大差异的原因。为什么月球背面的壳层更厚，并且几乎没有古岩浆形成的月海结构，这些问题目前尚无定论。
NASA计划在2027年（可能存在变动）实施阿耳忒弥斯3号（Artemis III）任务，将宇航员送往月球南极附近，并取回150~180磅重（约合70~80公斤）的样品。那里的地形比起阿波罗降落点更能代表月球的典型地质状况。
这一选址预期能够提供新的地质见解，并带来更多有关月球水的信息。2018年，科学家基于分析轨道映射数据，断定月球的两极存在冰，但没有人知道其具体形态。“它究竟会是月球表面上的霜，还是连片埋藏在地下，或者是吸附在矿物颗粒上，又或者像水泥一样混进了表层土壤？”来自NASA的朱莉安·格罗斯（Juliane Gross）谈到，“我们不知道。”目前，她正在协助阿耳忒弥斯科学团队制定月球样本的采集和整理计划。
阿尔忒弥斯宇航员们的发现，将会为由中国和美国牵头的在月球建立永久基地的计划提供信息，这一项目将得益于月球南极的水资源。劳伦斯说，“那是可以呼吸、可以饮用的东西，它还可以是火箭的燃料。”
月球矿场
除了冰之外，月球上其他潜在可开采资源也备受关注，尤其是氦-3。这种稳定的氦同位素在月球上的含量远高于地球，可以用作核聚变过程的理想燃料（如果物理学家能够实现这一过程的话）。希望能够开采月球资源的商业企业大量涌现，其中就有总部位于西雅图的Interlune 公司。该公司计划在2030年代将氦-3带回地球，随后是其他的资源，如电池技术所需的稀土元素。不过，考虑到物流，经济和法律上的问题，月球开采能否走进现实仍然是一个未知数，劳伦斯说。
尼尔指出，尽管有部分人对于开采原始的月球表示反感，但月球开采也会为地球开采带来额外的好处。月球两极温度只有约-230摄氏度（-380华氏度），因此月球开采需要在无液体的环境下进行。开发无液体开采所需的技术，有助于缓解废水和尾矿带来的环境问题。“试想一下，这将使地球上的采矿业焕然一新，”他说。
但首先，研究人员需要进一步地了解月球：它的历史、地理和开采资源的可能性——这需要我们近距离地探索，而探索本身又无疑会带来更多的惊喜。“一旦你来到月球，你就会像这样：噢……这是什么？”格罗斯说。她希望宇航员能够带回大量的样品。“他们带回来的越多，我们能做的也就越多。”


作者：Nicola Jones

翻译：wnkwef
审校：7号机

编辑：7号机

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翻译内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

—じ☆ve人生—

嫦娥六号带回的月岩，让我们对月球认知又近了一步！