2020年11月29日 星期天

出发,重新认识月球!

来源:南方日报 2020-11-20 09:00:47 记者:

出发,重新认识月球!

嫦娥五号即将升空开启“挖土”之旅 取回样本或能助我们更好了解月球

著名的“起源石”,由美国阿波罗15号宇航员从月球采集带回。图自NASA

11月17日,长征五号遥五运载火箭和嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后,垂直转运至发射区,计划于11月下旬择机实施发射。新华社发

上世纪美国和前苏联太空争霸时期,月球探测成为竞争的核心。1969年7月20日,美国阿波罗11号飞船降落在月球静海地区,人类首次成功登月。但除了阿姆斯特朗的“人类一大步”之外,科学家更为欣喜的是,此行带回了来自月球的岩石,这是人类首次将月球样品带回地球。

美国历次阿波罗计划,在月球表面总共采集了2415块标本,总计约382千克。它们在日后产生了大量科学成果。美苏争霸的另一极,前苏联通过月球计划16、20和24号任务,也总共携返326克的月岩标本。其中,1976年的月球24号,从月球携返170克样本,这也是人类迄今为止最后一次从月球直接取样。

随着美苏争霸落幕,人类探索太空,特别是探索月球的小高潮回归平静。直到20世纪末,各个航天国家开始提出新的月球探测计划。中国的探月工程于2004年立项实施,并确定了“绕、落、回”三步走战略规划。嫦娥一号到四号任务的成功实施,已圆满完成三步走战略的前两步。目前,嫦娥五号在文昌航天发射场枕戈待发,即将实现探月工程第三步战略目标——成功后,中国将成为第三个从月球表面采样返回的国家。

11月17日,长征五号遥五运载火箭和嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后,垂直转运至发射区,计划于11月下旬择机实施发射。这次任务是中国探月工程第六次任务,计划实现月面自动采样返回,是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一。按照计划,嫦娥五号将突破月面自动采样返回关键技术,开展月球样本相关的科学研究,构建起完整的月球探测体系。

这是人类时隔40多年再次从月球采集样本返回。月球土壤里含有怎样的奥秘?嫦娥五号采样点的选择经过怎样的考量?科学家又希望通过这些宝贵的样本揭开哪些谜题?

北京天文馆收藏的月球岩石样品,系美国阿波罗17号载人宇宙飞船的宇航员采自月球澄海东南着陆区。图自北京天文馆官网

“抓+挖”,2公斤月壤来之不易

除了来自月球的陨石外,人类直接从月球取得的样品,不到400千克。

这其中绝大多数来自美国的阿波罗计划,由美国宇航员在月球表面采集,采集方式包括锤、耙、铲、钳以及钻探采集。这些来自月球的样品,成为地质学家与天体化学家的重要研究对象。

中国科学院国家天文台研究员郑永春曾表示,月壤是从月球固体岩石圈到太阳系空间的过渡带,包含着相关区域的大量信息。对月壤的研究不仅涉及月球本身,而且还包含太阳系空间物质和能量的重要信息。其中包括太阳系早期演化的历史记录、月岩和月壤的宇宙线暴露与辐照历史、月球中挥发分的脱气历史、太阳风的组成、太阳表层的成分特征、小天体和微陨石撞击月球的历史记录等。

中国也曾得到少量的阿波罗月球样本。1978年,时任美国国家安全事务顾问布热津斯基访华时,向中国赠送了1克月球样品。中国科学院院士欧阳自远曾回忆,1克的样品虽然很少,但对于做研究已经足够。他当时把样品小心切成了两块,一块用于做研究,另一块保存了起来。

欧阳自远表示,因样品大小有限,当时先做了非破坏性测试与研究,最后才做破坏性的测试与研究,包括矿物成分、结构构造、化学成分、微量元素、物理性质、产出环境。最后科研人员不仅判断出该样本是在阿波罗17号任务中采集的,确认了采集地点,甚至还分析出石头所在地区是否有阳光照射。根据对这块石头的研究,他们共发表了40篇文章。保存下的另外0.5克样品,现由北京天文馆收藏。

不同于美国可以由宇航员人工采集样品,前苏联始终未实现载人登月,因此其月面采样返回均为无人采样。

1970年9月12日,前苏联发射了世界第一个无人月球采样返回探测器——“月球16号”。它在月面软着陆后,用自动钻孔机采集月球样品,然后把样品封装于返回舱内,接着上升器从月面起飞返回地球,最终返回舱于1970年9月24日在前苏联境内着陆。这次任务从月球丰饶海取回了一块101克的小样本。之后几次任务,前苏联探测器采样的样本重量都在百克上下。

同样是采用无人探测器采样,嫦娥五号此行目标将取回2千克左右样品。全国空间探测首席科学传播专家庞之浩介绍,前苏联当时并未掌握月球轨道无人交会对接技术,所以其3次无人月球采样任务采用的都是月面起飞直接返回地球方案,因此其上升器需要克服返回舱与大量燃料死重,因此极大压缩了采样重量。嫦娥五号将采用具有世界领先水平的月球轨道无人对接方案转移月壤,上升器只需少量燃料,且没有返回舱死重,因此采样重量呈几何级提高。

行星地质学家、中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙告诉南方日报记者,嫦娥五号采样将分两个过程完成:一是利用机械臂从月球表面抓取样品;二是通过钻探,连续采集月面以下2米左右深度的样品。“工程实施时,先钻取样品,再抓取样品。”肖龙说。

《自然》杂志绘制的嫦娥五号采样和历史上美、苏探测器的采样点示意图。

采样回地球是“最可靠”的研究方法

通过前期任务,中国不但积累了月面软着陆技术,也开展了一定的月壤研究。

例如,嫦娥三号于2013年12月在月球上软着陆,通过对月球土壤的着陆探测研究,发现了有别于阿波罗任务采样的新的月表矿物;同时,进行了雨海地区分层结构研究,重新认识了该地区多期次玄武岩活动特征。

而科学家通过嫦娥四号搭载的可视-近红外成像光谱仪(VINS)的光谱初始观测结果推断出,月球表面存在的低钙辉石和橄榄石矿物可能起源于月球地幔。这也是人类首份月球背面幔源物质初步证据,加深了人类对月球形成与演化的认识。

不过肖龙指出,月球科学研究有多种方法,卫星和月球车拍照只能获得表面的形貌和大致的表面成分信息,无法了解月球的物质组成多样性,包括元素和矿物的定量测定。

“因此,样品研究对于地球科学和月球科学都是至关重要的。要精确了解月球的岩石、矿物、元素和同位素组成,都需要样品。也只有把样品带回实验室进行研究,才能获得最可靠的数据。”肖龙说。

他介绍,样品成功返回后,科学家将首先对样品进行分类、编录,按照“先无损分析,后有损分析”的基本流程,开展月壤粒度、种类,以及矿物组成、元素和同位素组成、样品形成年龄等方面的研究。

科学家们期待嫦娥五号带回的样品,能够助力解开月球的诸多谜题。

采样位置在阿波罗未曾涉足之处

国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠此前透露,嫦娥五号探测器的着陆地点为月球正面西北部的吕姆克山脉。

吕姆克山脉位于月球表面风暴洋北部地区,以德国天文学家吕姆克之名命名。这一山脉面积约4000平方公里,高出周围的月海表面约200—1300米。吕姆克山表面存在撞击坑、皱脊、月溪、火山穹窿等多种地貌,其中,穹窿是最为突出的火山地貌。

肖龙告诉南方日报记者,嫦娥五号着陆点的选择,经过了科学家和工程技术人员的多次讨论,主要考虑两个方面:一是确保工程安全,需要考虑到地形、光照、通讯等;二是远离早期美国和前苏联的采样点,获得不同的月球样本,为月球科学作出新的贡献。

肖龙介绍,阿波罗任务取得的样品大都是来自古老的月海区域,通过它们得到的认识是,月球在31亿年前就没有火山活动了。“而近年来的遥感数据分析显示,像嫦娥五号采样区,有可能存在距今12亿—15亿年的火山活动。但这些分析,最终需要样品研究的结果才能得到确认。”肖龙说。

他表示,嫦娥五号着陆点选择在更“年轻”的玄武岩区域,如果能够获得精确的玄武岩喷发年龄信息,证实在这一时间里仍有火山喷发,将会“重新认识月球火山喷发的历史”。

他进一步表示:“如果样品研究支持或不支持通过表面撞击坑统计得到的月球年龄,都将对行星表面撞击坑统计定年方法提供新的制约。”

●南方日报驻京记者 王诗堃

责任编辑:王良济

关键词:
版权声明:
• 凡注明“东莞时间网”的所有文字、图片、音视频、美术设计和程序等作品,版权均属东莞报业传媒集团所有。未经本网授权,不得进行一切形式的下载、转载或建立镜像。
• 您若对该稿件内容有任何疑问或质疑,请即与时间网联系,本网将迅速给您回应并做处理。
邮箱: (请将#替换成@) 处理时间:9:00—17:00