在美国航空航天局约翰逊航天中心，留存着由“阿波罗”15号带回地球的一块月球岩石，它也是此中最大的一块，编号15556

　　1969年7月20日，美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）和巴兹·奥尔德林（Buzz Aldrin）离开“阿波罗”11号的登月舱，首次在月球外貌留下人类的足迹。在1969-1972年间，NASA得胜执行6次登月任务，不但让人类的勾当范畴扩大至地球之外，还为天体领域的钻研供给了无尽的宝藏。

 

　　阿波罗计划中，宇航员连续从月球带回了少量的岩石样本，总重达382kg。而在过去的59年间，美国连气儿向全全国145名来自不合领域的科学家寄送了月球岩石的样本。对这些样板发展深入研究后，科学家的发现极具推翻性，可能会完全改写月球，甚至太阳系老手星的演化史。

 

　　根源 | 寰球科学

 

　　撰文?| 埃里克·贾文（Erica Jawin）

 

　　翻译?| 彭昊 范焱

 

　　审校?| 李世杰

 

　　对付阿波罗计划，最冲感人心的在于人类第一次将本人的脚印行踪留在了月球上。但在科学领域，它最大的孝敬在于来自月球的岩石，远行的宇航员征集了少许不合的样品，把它们带回了地球。采集的样品总计382公斤，包括岩石与月壤（在月球表面的一厚层精力，由蟠踞的岩石和尘土组成），把这些样品叫做宝藏一点也不为过。通过在执行室中钻研来自月球的样品，咱们确立了今世行星科学，这也为认识各类行星的地质演化过程提供了深切的洞见。

 

　　瑞安·齐格勒（Ryan Zeigler）是美国航空航天局（NASA）阿波罗计划的样品担当人。他表现，在过去50年间，NASA收到了3190份钻研特殊月球样品的申请，申请的科学家跨越500名，至多来自15个国家。他还说，在几十年里，他们已经向外分发了50 000多份不凡的月球样品，今朝有145名不合领域的科学家正在研究8000多份月球样品，这些领域涵盖了天文学、生物学、化学、工程学、原料科学、医学与地质学。

 

　　最需要的是，这些来自月球的岩石完全旋转了咱们对三大标题的认识：月球外貌的实质、月球的匹面以及太阳系的演化。

 

办理员们将“阿波罗”15号样品从不锈钢存储柜的气闸中转出

　　40亿年不变

 

　　在将登月舱和宇航员送上月球之前，咱们对这颗天然卫星的熟谙主要是基于猜想，因为仅仅停留在地球轮廓，很有问题限制了人们对月球的窥察。

 

　　古人的研讨证明，宽泛撞击坑的月球外表理当尤其陈腐，由于需要损耗数十亿年的光阴才有可能造成如此众多的撞击坑。当我们抵达月球后，也证实了这一点。跟着月球的岩石样本被带回地球，地球化学家（如果用心钻研地熟手星的化学组分特色，则称为行星化学家）深入剖析了样本中的同位素组成（同位素会跟着固准工夫衰变，科学家十分清晰这一点）。结果表述，来自月球的样品要比大多半地球上的岩石更古老，年龄在30亿到45亿年之间。

 

　　随后，行星科学家创立了一套颇为有效的模子，足以影响与月球或另在行星有关的后继钻研。他们统计了“阿波罗”11号着陆点四面的撞击坑数量，并用这个数据匹配对应地点的月岩年数。完成匹配后，模型就能必然撞击坑在月球外面组成的速度。从“阿波罗”号带返来的样品就像是地质学界的罗塞塔石碑，在撞击坑数量与月球春秋之间成立了瓜分。现在，科学家可以毋庸到达现场就可以预估月球（以至别的行星）到任何位子的年龄。

 

　　在月球上搜集的样品中，最古老的样品基本与月球本身的年事相似，可能为45亿年。由于地球上具备板块构造，会使地壳不息循环，所以地球上大少数岩石的年纪都远远小于40亿年，而月球却不具备板块构造活动。因而我们可以管中窥豹，通过月球看到太阳系晚期的古老岩石，以至是地球初期的岩石。在今年三月的一项钻研中，科学家阐发了从“阿波罗”14号带归来回头的角砾岩样品，发现个中一块可能基本就不属于月球。相反，这可能是第一块地球陨石，在40亿年前从地球飞出，不测下降在到了月球外貌。经由数十亿年后，宇航员艾伦·谢泼德（Alan Shepard）捡起了它，又把它从新带回了家。

 

　　月球的最早

 

　　在阿波罗计划以前，科学家对月球的形成过程争吵不休，只管，斗嘴的焦点也包括其它行星的卫星是如何组成的。也许是地球捕获了另一颗靠得太近的星体；也许在组成的初期地球的转速太高，有一小块被甩了出去，与主体汇集；也许地球与月球是同时组成的，都诞生于制造生太阳系中所有行星的“原行星盘”（protoplanetary disk）。可是，在阿波罗计划之后，我们也有完全不同的认识。

 

“阿波罗”15号带回的样品15415，被称作“劈头石”，它布施科学家们提出了对于月球起源的须要现实

　　目前，在形容月球劈脸的现实中，最受接待的一种被称为大碰撞假说。这类假说基于阿波罗计划时代收集到的证据，认为梗概在45亿年前，一颗与火星差未几大的行星体撞击了地球，导致自身碎裂并使一小块地壳与地幔被喷射到太地面。这颗构想中的行星被喻为“忒伊亚”（Theia）。终极，被放射的物质和忒伊亚的残存物夹杂在一起，聚合成为了一颗星体，在冷却后组成为了翌日的月球。

 

　　除了少量来自“阿波罗”号岩石样品的证据之外，尚有得多月表试验也支持这种猜想。详细包括：

 

　　铁：月球缺铁的景遇尤其老火。那会阿波罗计划曾在月表安排过行星物理试验。终于表白，与别的类地行星比拟，月球的内核体积极为小，仅占总半径的25%。这也暗示了月球内核短少铁质。或许，在大碰撞发生时地球曾经造成了铁质的内核，仅给月球留下了很少量的铁。

 

　　干燥：来自月球的样品尤为枯燥，几近所有蒸发分都被剔吊销了。蒸发分是指易于蒸发的低沸点元素或份子，比喻水、二氧化碳、氮与氢。为认识释这种气象，有科学家以为是大碰撞时发作了重大的能量和热量，将月球上的挥发分带走了。

 

　　岩浆洋：来自月球的样品让科学家提出了大批具有影响力的假说，岩浆洋假说等于其中之一，这个假说认为月球晚期曾被岩浆海洋覆盖。“阿波罗”11号样品标明，月球凹地（皮相明明的凹地势周边，相对于于轮廓漆黑而且向下沉的月海周边）含有大批斜长石矿物，可能组成于一片大型的岩石熔融体。由于在熔融体冷却的过程中，斜长石较轻，能够漂浮在顶部。月表探测器还在其余地区发现了这类岩石，因而这类岩石可在月球洼地非常普遍。这或许阐明，目下当今的岩浆层掩盖了月球外面的大部分区域，致使有可能完全掩饰笼罩。

 

　　不过，一种新证据的呈现使大碰撞假说变得更繁杂了，这种证据同样来自“阿波罗”号采集的样品，它解释月球上多种同位素的组分十分格外。在2001与2012年，研讨者运用了一种叫做“激光氟化”（laser fluorination）的法子，发现钛与氧的同位素组分在地球与月球中几近是相斥的。要是月球只不过忒伊亚与地球的同化物，它为何拥有和地球近似的同位素组成？新的证据引发了新的设法，行星科学家西蒙·洛克（Simon Lock）与莎拉·斯图尔特（Sarah Stewart）就在本期的另一篇文章《月球开始：在岩石蒸汽中回生》中讲述了他们提出的“合星”模型。

 

　　倾覆太阳系

 

　　钻研月球得出的结论异样也能够引申到此外行星体。此中最需求的也许是对付太阳系演变的尼斯模型（在法国尼斯提出，因此得名）。遵照这个模型，太阳系外侧的巨行星在组成初期副本十分凑近互相。几亿年后，它们的轨道变得很不稳定，以至于土星、天王星与海王星迅速向外扩散，迁移到了现在的轨道位置。它们离太阳的隔绝距离也变得更远了。宏大的行星在迁移到现在的位置后，变得更凑近太阳系外侧的柯伊伯带，于是它们把这片区域的精力向内拉，使陨石与太阳系内的行星与卫星发生撞击，并在整个太阳系中引发杂沓。

 

　　这个模子听起来可能有些牵强，但它卑劣地解释了一系列咱们在宇宙中考查到的征象。例如，通过给“阿波罗”号的样品定年、赏析撞击坑的细节，科学家发现了一系列重要的情形。在月球组成7亿年时，太阳系熟手在行星被陨石撞击的磨折性事变达到了巅峰，这次事情也被喻为“前期重轰炸”（late heavy bombardment）。最初，科学家无法找到简单的解释，很难注明为甚么撞击会在这耐久期迎来巅峰。尼斯模子却能解决这个标题问题，它预测的混乱撞击期恰恰就发生在这个时期。

 

　　除了机密咱们太阳系的演化史，来自月球的样品还可以救命科学家研讨行星轮廓的化学变幻。“太空风化”（Space weathering）是指在没有大气层的情况下，天体履历物理和化学风化的过程。仔细剖析来自阿波罗计划的月壤样品后，科学家发现月壤是由胶结物（agglutinates）、熔融玻璃以及微型颗粒加害组成的矿物碎屑组成的。跟着年光推移，胶结物可以占童稚月壤成份的60%到70%。有一种微型金属铁球也是太空风化的出产物，被喻为纳米铁。它可以聚集在月壤的外层，使皮相变得阴晦。现在，咱们已经知道有许多因素可以造成太空风化，个中包括太阳辐射、温度的巨幅强硬，以及微型陨石的不息轰击。

 

　　留给将来的样品

 

　　现在，月球研讨又迎来了打中听心的时辰。就在往年，美国储备的所有月球样品都将悍然，个中一些样品自50年前被采集归来后就始终不有启封过。当年，阿波罗计划坚苦地带回了从月球采集到的岩石样板，NASA顺带决议留下一部份维持密封，守候科学手艺超越阿波罗时代后再进一步研究。

 

　　本年三月，阿波罗新一代样品解析项目（ANGSA）选出了9个钻研小组，并给他们调配了来自“阿波罗”15号、16号和17号采集到的样品，此前这些样品一直处于真空密封的形状。钻研“新”的月球样品或许是一次全新的机遇，让我们有时机发现越发根蒂根基实践，进一步认识地球这颗自然卫星的构成与演化。

 

在“阿波罗”15、16和17任务时期搜集的5块个样品

　　尽管目前我们也曾从阿波罗号带回的样品与月表试验中取得了良多新闻，但开盘封的样品依旧会为咱们供给稀有的动静，尽管，咱们也急迫地需要更多的样品。例如，咱们还不有来自月球远端、极地域域，或者月球深部的样品。我整体有两块样品额外想要，一块是来自月球南极艾肯盆地的样品，另一块则是极地陨石坑中的冰块。南极艾肯盆地是月球上公认的最大撞击盆地，也是太阳系中最大的撞击盆地之一，盆地内部可能搜聚来自下月壳乃至月幔的物质。钻研南极艾肯盆地有助于咱们认识这类巨型的盆地，并理解它们是若何影响行星体的外表和外部布局的。如果将来能将极地的冰块样品带回地球，不光可以机要咱们这些水的本源和年纪，或许还能让咱们弄清地球上的水是从那里来的。

 

　　岂论是通过载人飞翔照样机械人，都有可能在将来实现这份对于月球样品的愿望清单。至于哪一种方案更好，行星科学家尚无杀青共鸣。详细来讲，局部科学家以为机械人比载人任务更便宜、更平安，也更有可持续性。而另一方则以为，人类比机器人聪明，能筛选出更多品种、更具地质学寄义的样品，阿波罗计划带回的样品就很好地证实了这一点。

 

　　阿波罗计划代表了一项奇怪的成绩，从根抵上改动了我们对太阳系的见地。在道贺人类完成这项伟大的飞跃50周年之际，咱们也要意识到，从1972年12月14日执行完阿波罗17号的工作以来，就再也没有人踏上另一颗行星了。作为一名深受这项责任引导的科学家，我希望奋力地发明出属于咱们这一代人的阿波罗时分：看到人类再一次登上月球，操纵伶俐能力、坚持不懈的决定信念以及猎奇心，探索全体未知。

 

　　本文作者：埃里克·贾文是美国史密森尼国度自然历史博物馆的博士后钻研员、地质学家。

 

　　本文审校：李世杰，中国科学院地球化学研究所助理研讨员，主要混于陨石学与行星开始演化研讨。

 

   

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