中国|月球“土特产”成研究热潮：从月球岩石到不会融化的冰~
嫦娥五号带回的月球样品
引发国内外研究热潮
2020年12月 ， 中国的嫦娥五号返回器带回了近2公斤月球样品 ， 这些月球岩石引爆了中国科学家的研究热潮 ， 他们正对其开展研究 ， 以揭示月球的进化历史 。 中国科学院地质与地球物理研究所研究员李献华此前的主要研究方向是地球上的熔融岩石 。 但当嫦娥五号将中国第一批月球岩石带回地球后 ， 李献华转而开始研究这些岩石 ， 而此次这些岩石样本是自40多年前美国国家航空航天局的阿波罗任务和苏联的探月任务以来人类首次带回的月球样品 。
目前中国很多科学家正对嫦娥五号样品开展研究 ， 以了解月球的演化历程 。 初期研究结果令科学家们兴奋不已 。 在过去6个月里 ， 他们已经发表了6篇关于嫦娥五号样品的论文 。 上周 ， 在美国德克萨斯州休斯顿举行的月球和行星科学大会上 ， 其中有一个关于中国探月任务的论坛 ， 科学家们提交了大约十几项研究成果 。
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美国圣母大学土木工程和地质科学教授克利夫·尼尔曾与中国科学家一起研究嫦娥五号的样品 ， 他说：“有很多年轻的中国研究人员参与进来 ， 这些月球岩石令人兴奋 ， 因为它们是科学家们研究月球岩浆活动不同时期的一个窗口 。 ”
最年轻的月球岩石
嫦娥五号任务从月球北部风暴洋东北角的玄武岩区域采集了这批约1731克月球样品 。 之所以选择这个地点 ， 部分是因为它可能包含有比苏联的月球任务和阿波罗任务探访的地区更年轻的火山物质 。 科学家们希望 ， 更年轻的地点能让他们了解月球开始冷却但仍有火山活动时的“模样” 。
中国科学院发布的嫦娥五号月球科研样品最新研究成果证明 ， 嫦娥五号月球样品为一类新的月海玄武岩 ， 填补了美国和苏联月球采样任务的“空白” 。 研究表明 ， 月球直到20亿年前仍存在岩浆活动 ， 晚期岩浆活动的月幔源区并不富含放射性生热元素 ， 而且非常“干” 。 多项突破性进展给出了对月球演化的全新认识 ， 对未来的月球探测和研究提出了新的方向 ， 得到国际专家高度评价 。
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去年7月 ， 中国国家航天局向中国多名科学家分发了首批样品 。 他们从85项申请中选出31项科学项目 ， 分发了约17.5克细粒粉末和固体岩石 。 接下来 ， 又有几轮申请希望研究月球样本 。 第一批研究团队确定了月球岩石的年代 。 去年10月7日 ， 一个研究小组报告称 ， 这批玄武岩的年龄为19.6亿年（误差不超过5700万年） 。 不到两周 ， 包括李献华在内的另一个研究小组证实了这个日期 ， 估计这批玄武岩的年龄为20亿年（误差不超过400万年） 。 这些研究结果证实 ， 月球那时仍处于火山活动状态 ， 比阿波罗任务取回的岩石显示的火山活动峰值晚了近10亿年 。
令人困惑的月球火山
是什么造成了月球的火山活动？
一种基于卫星观测的理论认为 ， 在月幔中发现的能生热放射性元素 ， 如钾和钍 ， 可能是引发火山活动的推手 。 但当IGG的另一个团队检查月球玄武岩时 ， 他们否认了这一点 。 科学家们给出的另一种解释是：月幔内含有足够的水 ， 可以降低物质熔化的温度 ， 使岩浆更容易喷发 。 但IGG的行星科学家林杨挺及其同事发现 ， 这些月球岩石可能来自相对干燥的地方 。
月球火山活动的热源问题也让科学家们困惑不已 。 对此林杨挺说：“我还没有找到答案” 。 中国科学院南京紫金山天文台研究员徐伟彪说：“这是一个非常大的科学问题 ， 要弄清楚这一点 ， 我们需要进一步了解月球的演化历史” 。 徐伟彪收到了两小块月球样品 ， 目前正试图弄清楚这个问题 。
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目前 ， 关于月球火山热源的理论比比皆是 。 但徐伟彪表示 ， 将有很多团体试图解开这个谜团 ， 并获得更多有关月球的信息 。 自从嫦娥五号样本到达地球后 ， 他看到许多研究人员加入了这一领域 。 今年 ， 他的实验室收到了很多希望加入他们研究课题的申请 ， 超出了他们的预期 ， “以前从未出现过这种情况” 。 林杨挺希望更多研究人员参与进来 。 未来十年内 ， 中国计划开展一次月球南极样本返回任务以及另一次火星样本返回任务 。
月壤的保存环境非常严格
嫦娥五号完成月球土壤采集任务成功返回地球 ， 但对于地面应用系统的科学家来说 ， 月球样品的科学研究工作可以说才刚刚开始 。 那么 ， 月球样品将如何存储、管理和研究呢？
根据专家介绍：月球样品实验室主要由地外样品存储室、地外样品制备室、地外样品处理与物性分析室等实验室组成 ， 来自月球的样品将在这里存储、解封以及处理分析 。 在最新建成的月球样品实验室中 ， 第一个屋子就是用于安全解封的科研装备 。 由于月球上是几乎真空的状态 ， 和地球上存在很大的压差 ， 安全解封就成了摆在科研团队面前的首个难题 。
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而最大问题就是解封在月表真空环境下封装的设备 。 为解决这个难题 ， 科研人员通过技术和验证 ， 最终设计了一套方案 ， 在真空条件下独立进行罐子的解封 ， 解封完之后再把样品转移到氮气环境下进行存储和处理 。 科研团队介绍 ， 由于月球样品产于高真空高还原的环境 ， 很容易受到地球上氧和水的侵蚀、风化和氧化 ， 因此在氮气环境下存储的过程中 ， 还必须严格控制水和氧的指标 。 张广良说：“我们知道月球土壤样品是粉末状的 ， 很容易受到地球物质的污染 ， 因此对于解封它的外部环境 ， 我们设计为一个洁净室的条件 ， 最大限度减少地球颗粒物质对它的污染 。 ”
根据采样方式和样品使用的不同 ， 此次采集回来的样品会分为钻取样品临时存储、表取样品临时存储、钻取样品永久存储和表取样品永久存储四大类 ， 专家介绍：“根据采样返回样品的特点 ， 有钻取样和表取样 ， 因此我们把这两类样品分门别类 ， 设计不同的存储装置进行存储 ， 这样才能够更妥善地保管样品 。 在实际过程中 ， 我们要根据科学研究的实际需求来进行分样 ， 必须严格遵守一定的操作规程 ， 确保月球样品在最终分析的时候 ， 样品量既能适用于科学研究 ， 又不会浪费 。 ”为此 ， 我们在样品开封过程中 ， 可以多次看到真空手套箱的身影 ， 为安全开封提供可靠地安全环境保护 。
【中国|月球“土特产”成研究热潮：从月球岩石到不会融化的冰~】
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手套箱的作用 ， 是将高纯惰性气体充入箱体内 ， 并循环过滤掉其中的水、氧、有机气体等物质的实验室设备 。 也称真空手套箱、惰性气体保护箱等 。 主要功能在于对 O2、H2O、有机气体的清除 。 广泛应用于无水、无氧、无尘的超纯环境 。 最终保证月球土壤的安全保存 。
聊完月球岩石
再来聊聊月球上的冰
多年来 ， 科学家一直认为 ， 月球两极寒冷的环形山中存在水冰 。 这对科学研究而言是个好消息 ， 它也是潜在的资源 。 现在 ， 研究人员发现了为什么冰在一个极其干燥的世界上持续存在的原因——一些极地陨石坑可能受古代磁场的保护 。 数百个极地陨石坑处于永久阴影中 ， 这是因为月球对太阳的倾斜度很小 ， 为1.5° ， 而地球为23.4° 。 太阳永远不会从陨石坑周边升起 ， 因此将温度保持在-250摄氏度 。 在一些坑中 ， 航天器上的雷达仪器检测到了水冰的反射特征 ， 这可能是彗星撞击造成的 。
2018年 ， 科学家利用印度“月船1号”月球探测器上的仪器 ， 报告了极地冰分子是如何吸收红外光的测量结果 。 这是迄今最确凿的证据之一 。 然而 ， 解释冰的存在一直是个挑战 。 虽然太阳光不能抵达陨石坑 ， 但太阳风可以 。 这些带电粒子可以在被称为“溅射”的过程中 ， 一个分子一个分子地破坏冰 。
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对此亚利桑那大学行星科学家Lon Hood和同事现在确认了为什么冰会一直存在 。 近日在休斯顿举行的月球与行星科学会议上 ， 他们发表了一项研究 ， 表明月球古代遗留下来的磁异常可能保护着这些陨石坑 。 自从1971年和1972年阿波罗15号和16号任务以来 ， 研究人员就已经知道了这些异常现象 ， 当时宇航员测量了有异常磁场强度的区域 。 目前已知一些异常区域的直径可达数百公里 。 尽管它们的起源仍有争议 ， 但有一种可能性是 ， 它们是在40多亿年前月球有磁场、富含铁的小行星撞击其表面时产生的 。 由此产生的熔融材料可能已被永久磁化 。
人们认为 ， 在月球表面存在数千种异常现象 ， 但Hood利用日本“月亮女神号”月球探测器的数据详细绘制了南极的异常 。 他发现至少两个异常的永久阴影陨石坑——Sverdrup和Shoemaker ， 而且可能还有更多 。 尽管残余磁场仅为地球的数千分之一 ， 但它们足以偏转太阳风 。
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已知异常的陨石坑可能成为科学研究和探索的主要目标 。 美国宇航局已经计划在明年发射名为“毒蛇”的探测器前往月球南极地区 。 作为阿尔忒弥斯计划的一部分 ， 该机构打算在本十年晚些时候将人类送往那里 。 对冰的研究可以揭示它是如何输送的 ， 这反过来可能会揭示地球是如何获得水的 。
目前需要更多数据证实这些磁场的保护作用 。 Hood希望在陨石坑表面放置一个太阳风仪器 ， 可以测量通过陨石坑边缘的带电粒子 。 “我们还需要收集样本 ， 并确定什么被磁化了 。 ”但目前没有这类任务的计划 。 考虑到许多太空机构重新关注月球 ， Lucey认为 ， 这些含冰陨石坑的神秘性需要加以研究 。 “为什么有的地方结冰 ， 有的地方不结冰？” Lucey说 ， “需要研究这些磁场 ， 作出一种可能的解释 。 ”
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又是岩石又是冰
离我们那么近的月球
究竟还藏着多少我们不知道的秘密呢？
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