月亮“長(zhǎng)”了8億歲

嫦娥五號(hào)月壤研究揭示月球“晚年生活”

月球很忙。作為地球唯一的自然衛(wèi)星，在繞地飛行的數(shù)十億年里，它既要受邀出席中國(guó)唐代詩(shī)人李白的酒宴，又要為20世紀(jì)中葉開(kāi)啟的美蘇“太空競(jìng)賽”提供活動(dòng)場(chǎng)地，還要用自己的演化進(jìn)程，幫助地球人解答“我從哪兒來(lái)，要到哪兒去”。

然而，月球究竟“活”了多少時(shí)間，很少有人能說(shuō)得清楚。

約45億年前，月球還是個(gè)“寶寶”，一出生就是一團(tuán)滾燙巖漿，向宇宙昭示著它的活力。而后歷經(jīng)數(shù)十億年的光景，月球逐漸步入“晚年”，巖漿活動(dòng)逐漸停止，直到完全冷卻“死去”……昔日巖漿變成冰冷月海，將光陰的故事凝固在玄武巖里。

此前，地球上的月球隕石，以及美國(guó)、蘇聯(lián)采集而來(lái)的月球樣本，不斷告訴人們，月球的生命特征之一——巖漿活動(dòng)持續(xù)到大約28億-30億年前。但是，對(duì)于月球巖漿活動(dòng)停止的確切時(shí)間，科學(xué)界一直存在爭(zhēng)議。

科學(xué)家只拼湊出月球演化故事的中間部分，對(duì)于最為關(guān)鍵的“開(kāi)頭”和“結(jié)局”卻知之甚少。月球的“童年”和“晚年”到底是怎樣度過(guò)的？

最近，中國(guó)科學(xué)家通過(guò)嫦娥五號(hào)采回的月球樣品，終于破解了月球部分“晚年生活”之謎。10月19日，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所(以下簡(jiǎn)稱“地質(zhì)地球所”)和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)主導(dǎo)，聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了相關(guān)研究的學(xué)術(shù)論文。

這份研究顯示，人們之前想錯(cuò)了，月球的巖漿活動(dòng)一直持續(xù)到距今約20億年，月球的壽命比此前推測(cè)的又延長(zhǎng)了約8億歲；更有意思的是，最新研究還發(fā)現(xiàn)，放射性元素和水，在月球“延壽”這件事上可能都沒(méi)幫上忙。

這到底是怎么回事？

奔月前布下的“棋陣”

要解決科學(xué)問(wèn)題，首先得有研究對(duì)象，而研究月球最好的對(duì)象之一，就是“月壤”。

在前不久舉行的中國(guó)科學(xué)院科研成果發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，中國(guó)科學(xué)院院士、嫦娥工程顧問(wèn)歐陽(yáng)自遠(yuǎn)談及“月壤”重要性時(shí)說(shuō)：“‘抓土’是有講究的，嫦娥五號(hào)可不是隨便抓了一把土回來(lái)。”

我國(guó)在2004年開(kāi)啟的探月工程——嫦娥工程布局了“繞”“落”“回”三步走戰(zhàn)略。嫦娥一號(hào)、二號(hào)實(shí)現(xiàn)了“繞”月；嫦娥三號(hào)實(shí)現(xiàn)了“落”月，嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)了月球背面的軟著陸；2020年著陸在月球風(fēng)暴洋西北處呂姆克山附近的嫦娥五號(hào)，則成功完成我國(guó)首次地外天體采樣返回任務(wù)，拿回了備受矚目的“月球土特產(chǎn)”。

在此處采集“月壤”，可是大有講究。歐陽(yáng)自遠(yuǎn)表示，選擇在風(fēng)暴洋“抓土”，就是“希望對(duì)于月球距今30億年以來(lái)的歷史，增添一些我們中國(guó)科學(xué)家的突破和貢獻(xiàn)”。他們相信，此地有著月球上最晚形成的玄武巖，而月球“晚年生活”的故事，就藏在里面。

可以說(shuō)，這是在嫦娥五號(hào)奔月之前，就已經(jīng)布好的“棋陣”。

這邊廂，嫦娥五號(hào)在月球精準(zhǔn)“抓土”，那邊廂，38萬(wàn)公里之外的地球人實(shí)驗(yàn)室里，則在有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)能匹配月球研究課題的關(guān)鍵技術(shù)。

為有朝一日能破解月球的奧秘，科學(xué)家們摩拳擦掌?！蹲匀弧氛撐牡耐ㄓ嵶髡?、中國(guó)科學(xué)院院士、地質(zhì)地球所研究員李獻(xiàn)華告訴記者，自1999年開(kāi)始，中國(guó)科學(xué)院便面向地球與行星科學(xué)，著手建設(shè)微區(qū)原位分析測(cè)試平臺(tái)。技術(shù)儲(chǔ)備就緒，他們開(kāi)始“盼星星，盼月亮”。

月球比想象中“活”得更久

2020年12月17日，滿載月球故事的嫦娥五號(hào)返回器，終于在我國(guó)內(nèi)蒙古四子王旗安全著陸。

之后的事情很多人都知道了。經(jīng)確認(rèn)，嫦娥五號(hào)一共帶回了1731克月球樣品，這是人類時(shí)隔44年再次迎來(lái)的月球樣品。很多科學(xué)家都希望能從這些比黃金還要珍貴的樣品中“看到月球的過(guò)去”。

半年多之后，中科院地質(zhì)地球所和國(guó)家天文臺(tái)等單位牽頭的科研團(tuán)隊(duì)，獲得了第一批發(fā)放的嫦娥五號(hào)月球科研樣品中的一部分——3克月壤粉末和兩個(gè)巖屑光片。

一個(gè)裝有黑色月壤粉末的玻璃小瓶，就這樣送到了青年研究員楊蔚和同事的手上。要給月球測(cè)定壽命，他們首先要在月球樣品中找出記載著月球“晚年生活”的玄武巖顆粒。

但月壤粉末實(shí)在是太細(xì)了，如果處理不當(dāng)，一打開(kāi)瓶蓋就會(huì)被地球上的靜電效應(yīng)弄得“灰飛煙滅”。面對(duì)這些以克為單位的樣品，科研人員如履薄冰。

楊蔚和幾位年輕同事用隔離服把自己裹得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，進(jìn)入超凈實(shí)驗(yàn)室，對(duì)月壤樣品進(jìn)行轉(zhuǎn)移和分選，“領(lǐng)導(dǎo)們就站在門(mén)外等著，大家既緊張又期待，我們操作一步就出來(lái)報(bào)告一下進(jìn)展。”楊蔚說(shuō)。

很快，楊蔚和同事把僅有幾微米大小的玄武巖顆粒分離了出來(lái)。大家很興奮：這些可是記錄月球歷史的“時(shí)間膠囊”啊！

到這里，研究才剛剛開(kāi)始。要讓玄武巖“開(kāi)口講故事”，還要有一把能撬動(dòng)玄武巖嘴巴的“鑰匙”。這把“鑰匙”，就是李獻(xiàn)華團(tuán)隊(duì)的關(guān)鍵利器——“離子探針超高空間分辨率定年技術(shù)”。

李獻(xiàn)華解釋，科研團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了商用離子探針?lè)治鰞x器的關(guān)鍵硬件，能夠?qū)π〉?微米的顆粒進(jìn)行精確分析。有了這樣的技術(shù)儲(chǔ)備，科研人員才能對(duì)“超迷你”尺寸的玄武巖關(guān)鍵部位進(jìn)行檢測(cè)。

研究結(jié)果表明，嫦娥五號(hào)帶回的玄武巖形成年齡為20.30±0.04億年，這意味著，月球最“年輕”的玄武巖，形成于20億年前。進(jìn)一步說(shuō)，月球直到20億年前仍存在巖漿活動(dòng)，這比科學(xué)家此前估算的“壽齡”，還多“活”了8億歲。

這個(gè)結(jié)論相當(dāng)于在月球的“生長(zhǎng)曲線”上錨定了一個(gè)新的、關(guān)鍵的時(shí)間點(diǎn)，填補(bǔ)了人類對(duì)月球“晚年”演化歷史認(rèn)知的空白。

多出來(lái)8億年，然后呢？

科學(xué)家并未就此停下腳步，他們對(duì)月球演化提出了新問(wèn)題：多出來(lái)的8億年是怎么來(lái)的，換言之，月球?yàn)槭裁丛诰嘟?0億年前仍能保持活力？

兩個(gè)假說(shuō)被接連推翻

月球最晚期巖漿活動(dòng)的成因，一直是未解之謎。此前科學(xué)界存在兩種解釋：一種可能是，巖漿的源區(qū)中富含放射性元素，從而為產(chǎn)生巖漿提供了熱源；另一種可能是，巖漿源區(qū)中富含水，因此降低了巖石的熔點(diǎn)。

為驗(yàn)證源區(qū)富含放射性元素的假說(shuō)，中科院地質(zhì)地球所鉆研多年的另一件利器——“超高空間分辨率同位素分析技術(shù)”登場(chǎng)了。

研究結(jié)果出乎意料：科研人員并未在玄武巖樣品初始熔融時(shí)找到鉀、稀土元素、磷的“克里普物質(zhì)”等放射性生熱元素。也就是說(shuō)，科學(xué)家此前誤解了月球，第一種假說(shuō)就此被推翻了。

為了驗(yàn)證巖漿地區(qū)富含水的假說(shuō)，科研團(tuán)隊(duì)的第三件利器——“納米離子探針?lè)治黾夹g(shù)”派上用場(chǎng)。

通過(guò)測(cè)定嫦娥五號(hào)玄武巖中的水含量和氫同位素組成，科研人員發(fā)現(xiàn)，“如果按重量把源區(qū)巖石分成100萬(wàn)份，水含量只占1-5份”，這表明月幔非常“干”，并不富含水。也就是說(shuō)，科學(xué)家又一次誤解了月球，第二種假說(shuō)也被推翻了。

既不是放射性元素，也不是水，那么到底是什么導(dǎo)致月球壽命的延長(zhǎng)呢？

更多月球故事有待揭秘

李獻(xiàn)華目前也不知道答案。

他告訴記者，這一系列最新研究，對(duì)月球熱演化歷史研究提出了新的科學(xué)問(wèn)題，“月球冷卻如此之慢的原因并不清楚，需要全新的理論框架和演化模型，對(duì)未來(lái)的月球探測(cè)和研究提出了新的方向。”

讓人欣慰的是，探索月球奧秘的研究隊(duì)伍正在持續(xù)壯大。

國(guó)家航天局嫦娥五號(hào)月球樣品專家委員會(huì)成員、中科院院士徐義剛，在中科院成果發(fā)布會(huì)當(dāng)天表示，近期，又有一批月球科研樣品發(fā)放給了科學(xué)家。有志于此的研究者可以向該委員會(huì)申請(qǐng)樣品。

未來(lái)連接過(guò)去，科學(xué)家就像是時(shí)間的催化劑，總能帶來(lái)驚喜。“天地玄黃，宇宙洪荒。日月盈昃，辰宿列張。寒來(lái)暑往，秋收冬藏。”月球的生命歷程，在某種程度上預(yù)示著地球的演化軌跡，更多故事有待揭秘。

“月球‘延壽’不是因?yàn)榉派湫栽睾退堑降资且驗(yàn)槭裁茨?？我們的研究還在繼續(xù)。”楊蔚笑著對(duì)記者說(shuō)。

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