月球就像是一面鏡子，
通過它，
我們看到的是我們自己。
楊蔚 · 中國科學院地質與地球物理研究所研究員
格致校園 | 2022年 北京
親愛的朋友們大家好，我是楊蔚，來自中國科學院地質與地球物理研究所。今天我分享的題目是《閱壤》，我將為大家介紹月球的歷史，以及為什么嫦娥五號月球樣品如此珍貴。我所在的中國科學院地質與地球物理研究所是一個百年老所，最早可以追溯到1913年成立的中央地質調查所。而我所從事的研究行星科學卻非常年輕，去年才被國務院學位委員會批準為一級學科，今年才被教育部列為本科招生專業(yè)。帶我走進行星科學大門的是林楊挺老師。他是一個追星星的人，研究天體化學，也就是研究隕石。而我最初是研究地球的，能夠進入林老師的團隊純屬偶然。但是回過頭來看，改變我們一生的，往往是這些偶然事件。這種偶然把我變成了月球樣品管理員，管理著我們研究所申請到的月球樣品。在14億中國人中，我是那為數(shù)不多的、可以近距離接觸月壤的人，我不僅可以“舉頭望明月”，我還可以“低頭賞月壤”。能夠研究自己國家的月壤，是一件極其幸運的事情。你需要在正確的國家，生在正確的時代，在正確的研究所，從事正確的研究。這是2021年7月12日，我們第一次拿到嫦娥五號樣品的那一刻。我就是最右邊那個拎包的，包里面就是月球樣品，那種激動和自豪終身難忘。我們?yōu)槭裁磿@么激動呢？要知道：行星科學，樣品為王。掌握了樣品就掌握了前沿。▲左：天文觀測
中：遙感或就位探測
右：采樣返回
我們對地外天體的認識可以分為三個階段：天文觀測、遙感或就位探測、采樣返回。通俗地說，就是遠距離看看，近距離看看，帶回家看看。而一旦我們把樣品帶回家，我們對這個天體的認識，就會發(fā)生質的飛躍。因為在實驗室，可以用各種先進的技術給樣品來個全方位的體檢。這個時候，樣品就像是一本歷史書，能給我們講述那個遙遠星球上曾經(jīng)發(fā)生過的故事。我們今天對月球歷史的理解，幾乎全部建立在月球樣品的研究之上。最著名的例子就是月球的巖漿洋理論。它是說，在月球形成之初，表面曾經(jīng)覆蓋了幾百公里深的巖漿的海洋。▲1969年，科學家在阿波羅11號樣品中發(fā)現(xiàn)了奇怪的物質
這樣一個故事是怎么來的呢？讓我們穿越回1969年。當時阿波羅11號載人登月并帶回月球樣品，之后科學家進行了詳細的研究，很快就在里面發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的物質，就是這種白白的斜長巖。這其實已經(jīng)解決了一個長久以來的謎題：在很久很久以前，古人就發(fā)現(xiàn)月球上有黑色和白色的區(qū)域，他們的解釋是月球上住著嫦娥和玉兔，那這些黑色就是嫦娥和玉兔的影子吧。后來人類發(fā)明了望遠鏡，看得更清楚了，月球上并沒有什么嫦娥和玉兔。通過觀察，人們認為，這黑色是因為地勢比較低有海洋，因此被稱為“月海”。而這白色是因為地勢高，所以叫做“高地”。這樣的名稱一直沿用到了今天，盡管我們現(xiàn)在都知道月球上并沒有海洋。那么這些黑色和白色的到底是什么呢？阿波羅11號已經(jīng)給了我們答案：這黑色就是黑色的玄武巖，這白色就是白色的斜長巖。解決了一個謎題，但是也帶來了新的謎題——斜長巖本身就是個問題。要理解這個問題，首先我們要知道什么是正常情況。在正常情況下，一顆行星形成之后，因為內(nèi)部有一些放射性元素產(chǎn)生熱，它會發(fā)生小規(guī)模的熔融。這種小規(guī)模的熔融會把鐵質的、重的熔體聚集到核部，形成了金屬核；而把這些輕的硅酸鹽熔體噴發(fā)到了表面，形成了玄武巖的殼。我們可以看到，火星、金星和地球的大洋地殼都是玄武巖，而這樣一個過程是不會形成斜長巖的，這就是月球奇怪的地方。怎么才能形成斜長巖呢？在1970年僅僅拿到樣品半年之后，科學家就給了答案：那就是需要一個大規(guī)模的深達幾百公里的巖漿的海洋。在這個巖漿海洋冷卻的過程中，最開始會有一些重的礦物結晶出來，堆積在巖漿洋的底部。重點是這個過程到了60%-70%的時候，有一種白色的礦物，就是斜長石，它會結晶出來。因為斜長石的密度比較小，所以它會漂浮在巖漿洋的表面，這樣一個過程就會形成我們今天看到的斜長巖月殼。這就是巖漿洋模型的由來。這樣一個過程它也會產(chǎn)生另外一個效果：那就是當巖漿洋冷卻到99%的時候，它最后那1%的巖漿會非常富含鉀（K）、稀土（REE）和磷（P），把這些字母拼在一起就是克里普（KREEP）?？死锲帐窃虑蛏溪氂械默F(xiàn)象，它為什么重要呢？因為它聚集了月球絕大部分的放射性生熱元素，因此它就決定了月球是怎么冷卻的。巖漿洋只是一個例子，從月球形成的大撞擊理論，到月球的火山活動停止，從生到死都跟月球樣品的研究有關。這里的“死亡”是一種比喻，指這個星球失去了活力，沒有火山活動了，磁場消失了，沒有辦法再抵御太陽風的侵蝕，大氣開始逃逸，整個世界是一片死寂。你可能會問：我們?yōu)槭裁匆肋@些呢？理解了月球的歷史跟我們有什么關系呢？其實，月球就像是一面鏡子，通過它，我們看到的是我們自己。我們會看到我們地球早期也曾經(jīng)遭受過同樣的苦難，我們會理解恐龍的滅絕也許來自于一次偶然的小撞擊，但這種偶然的背后蘊含著某種必然，我們也將看到我們地球的終點是什么樣子。從這樣一張月球演化圖上，大家可能會發(fā)現(xiàn)一個問題：那就是我們并不確切地知道月球是什么時候死亡的。過去對于樣品的研究，發(fā)現(xiàn)月球的火山活動最晚可以持續(xù)到28億年前。但月球就死于28億年前嗎？答案是不一定。因為阿波羅和月球號并沒有收集到月球最晚期的樣品。▲人類的10次月球采樣任務
包括6次美國“阿波羅”號（APOLLO）
蘇聯(lián)3次“月球”號（LUNA）
以及中國嫦娥五號（CHANG'E-5）
這是阿波羅和月球號完成的9次采樣的采樣點，大家可以看到它覆蓋的面積非常有限。這就是為什么我們國家的嫦娥五號任務要繼續(xù)到月球去采樣，它的目的就是要去采集月球最晚期火山活動的樣品。那你可能會問了，我們怎么會知道可以采集到月球上最晚期的樣品呢？這就不得不介紹一種簡單的判斷月球表面年齡的方法——撞擊坑定年法。當月球上一個表面形成之后，它會不斷地遭受隕石的撞擊，越早形成的區(qū)域遭受的撞擊越多，撞擊坑就越多，如圖中右下角；形成越晚的區(qū)域，撞擊坑就越少，如圖中左上角。嫦娥五號選擇的正是這樣的一個月面上撞擊坑最少的區(qū)域，左邊這張圖顯示的就是撞擊坑統(tǒng)計的結果，越紅就是撞擊坑越少。所以嫦娥五號的著陸點屬于月面上最晚期形成的區(qū)域之一。右邊這張圖顯示了嫦娥五號著陸點另外一個特點：就是它非常富含放射性元素釷。還記得我們前面介紹的富集放射性元素，它通常與克里普相關。根據(jù)這兩張圖，科學家就提出了一個假說：月球的克里普實際上是分布不均勻的，它主要就分布在月球正面風暴洋的這一小片地區(qū)，所以叫做風暴洋克里普地體。這個不均勻的分布會造成月球上絕大部分的放射性生熱元素都集中在這個區(qū)域，而持續(xù)放熱可以維持這個地方長期的火山活動。但是，這樣一個假說卻從來沒有得到最晚期火山活動樣品的驗證，而我們嫦娥五號恰恰是要去采集這樣的樣品來驗證這樣的假說。總結一下就是說，如果我們能夠拿到嫦娥五號樣品，那么我們首先要做兩件事：第一件就是定年，從而獲得月球死亡的年齡；第二就是去分析它的成分，判斷是否與克里普相關。但是說起來容易，要做起來可不容易。因為我們收集到的是月壤，可以對標的任務是蘇聯(lián)的月球號，它也只收集到了月壤。跟阿波羅采集了很多石塊相比，月球號所取得的成果非常有限。月壤的研究有兩個方面的困難：第一，它很珍貴，花費了大量的人力、物力、財力，才收集這么一點點樣品，那顯然是盡可能不要用那些損耗樣品的分析技術；另外一個特點它非常微細，平均粒度比我們的面粉還要細，這就意味著我們需要采用一些高精尖的顯微技術。不過，這樣的困難有人早在18年前就已經(jīng)預料到了，他就是我們研究所當時的所長丁仲禮院士。2004年1月，嫦娥工程立項，確立了“繞、落、回”三步走，這就意味著我們終將有一天會獲得月球樣品。而誰來迎接研究月球樣品這個挑戰(zhàn)呢？那一定是我們這些終日跟巖石和土壤打交道的地球科學的研究者。所以丁所長就覺得，這就是我們所的責任。而要解決這個問題，在當時是相當困難的，沒有相關領域的人才，沒有平臺，沒有技術。所以我們的策略也是三步走：聚人才、搭平臺、研發(fā)技術。▲左：李獻華院士
右：林楊挺研究員
首先，研究所引進了李獻華老師和林楊挺老師。他們一個是做同位素年代學的，來解決定年的問題；一個是做天體化學的，來解決分析成分的問題。▲左：離子探針
右：納米離子探針
然后，我們所搭建了顯微分析平臺。通過十多年的時間，在這個平臺上陸續(xù)研發(fā)出了多種的同位素分析技術，這些技術就是專門為定年和分析成分準備的。首先看一看我們要搭建什么樣的平臺。根據(jù)月壤樣品的特點，我們不能去損耗它，所以我們要想辦法用不損耗樣品的方式，從樣品中獲得盡可能多的信息。所有的這些平臺其實都可以想象成一個顯微鏡，它們的原理是類似的。你首先需要有一個源，這個源可以產(chǎn)生一束光、一束電子或者一束離子，然后照射在樣品上；從樣品中再激發(fā)出光、電子或離子，通過收集這些信號；我們就可以知道樣品的形貌、結構和成分信息。在有了平臺之后，我們要研發(fā)技術。這就像我們有了一輛車，它還不夠快；有了一把槍，它還不夠準。所以我們要對它進行一定程度的改進。舉一個例子：常規(guī)的離子探針定年的空間分辨率都是10微米。這樣的分辨率對地球樣品來說是足夠了，但是對于月球樣品是不夠的。上面這張圖顯示的這些白色條狀礦物，就是月球樣品中的定年礦物?？梢钥吹?，它的寬度都是3微米甚至更小。如果我們用10微米的分辨率去定年，是做不出來的。所以我們需要把這個技術再往前提高一點點。別看只是從10微米提高到3微米，你可能想象不到這個困難，它要耗費幾位工程師十年的青春。其它的平臺也是一樣的，比如說納米離子探針、激光等離子體質譜等等。我本人也是因為研究所需要在納米離子探針實驗室研發(fā)分析技術，才偶然進入了林老師的團隊。我記得我們實驗室開張的第一天，那個時候所長已經(jīng)是朱日祥院士了，他給我們說了一句話：你們實驗室就是為嫦娥五號樣品做準備。正是他這樣一句話，一直激勵著我們到現(xiàn)在。▲礦物分選工程師馬紅霞：15年微細顆粒物操控，挑選制備600萬顆，任意操控微米級單顆粒＞100顆/小時。
十年如一日的研發(fā)技術是非常枯燥的，但有些工作可能更枯燥一些。這是我們所的馬紅霞老師，她的工作后來被證明非常重要。就是去挑選微細的顆粒物，這是我們進行月壤研究的第一步。因為我們首先要從非常微細的月壤中，把目標的顆粒給挑選出來。馬老師做這樣一個工作一做就是15年，挑選了不計其數(shù)的顆粒。在她的領域，她是毫無疑問的世界第一。除了枯燥以外，其實更難受的是心理上的一些擔心和懷疑。常常有人會問我一個問題，你們能拿到月球樣品嗎？這個問題很尷尬，他不是在質疑嫦娥五號任務能否成功，而是在質疑我們研究所能否被分配到月球樣品。如果我們真的將來拿不到月球樣品，那么所有的一切努力都白費了。這給我們造成了很大的心理壓力，也給工作造成了很大的困難。比如說，我們就很難申請到項目。每次申請項目的時候，評委都會問這樣一個問題，如果我們的答案是不確定，那么這個項目就通過不了。所以，我要特別感謝中科院交叉創(chuàng)新團隊項目。那一年我通過青促會推薦上去答辯，評委們問了一模一樣的問題，我的回答仍然是不確定，但是他們最終還是資助了我。所以我特別感謝他們，那是真正的雪中送炭。據(jù)我所知，那可能也是中國歷史上第一個資助嫦娥五號樣品科學研究的項目。另外一個困難就是，你的工作很難得到別人的認可。這就像一個士兵每天都在練槍法，但是沒有機會打仗，而不打仗就不會有成果。如果不打仗，槍法練得再好，也是沒有顯示度的。所以，我們實驗室有一位優(yōu)秀的工程師，工作了8年最后離職了。他跟我談的就是他感覺很迷茫，其實有時候我也感覺很迷茫，我也會去跟領導抱怨，這個工作沒錢，留不住人，還往往看不到前途。▲我國首次完成地外天體采樣，人類44年來再次采回新的月球樣品
但不管怎么樣，我們最終還是熬到了2020年的12月17日，嫦娥五號成功返回了月球樣品，舉國歡騰。我們也特別激動，因為我們終于將知道樣品會如何分配了。在5天之后，我們研究所就成立了一個由50個人組成的科研團隊，由李獻華老師帶著我們做最后的準備和部署。大家可以看到，畫面上的這些年輕的面孔，都是我們研究所在過去十年自主培養(yǎng)的。而這個時候的所長已經(jīng)是吳福元院士了，就站在我們李獻華老師的旁邊。我們很快就制定了全部的流程和方案，而且非常有幸地進行了一次實戰(zhàn)演習。我覺得這是一個百年老所特有的優(yōu)勢，因為我們所的博物館竟然還保存了一份館藏了50年的阿波羅月壤。我們就用這份只有166.9毫克的月壤進行了技術驗證，花了2周時間。這就是為什么后來我們吳所長要求一周之內(nèi)完成嫦娥樣品的首批分析工作。他的邏輯是這樣的，我們研究嫦娥樣品的時候會激動得睡不著覺，所以把晚上的時間都算上的話，兩周的任務一周應該可以完成。后來證明他的預測是對的，我們確實睡不著覺，而且也確實在一周完成了任務。時間終于來到了2021年的7月12日，第一批月球樣品分發(fā)。我記得那天北京下著雨，我們從國家天文臺取到樣品之后，馬不停蹄就回到了研究所開啟動會。▲2021年7月12日，上午啟動會，下午處理樣品
午飯之后，我們?nèi)嶒炇疫M行樣品處理。林老師非要跟著我們?nèi)嶒炇依锩?，我們一起把樣品倒出來。林老師要在顯微鏡下親自看一下月壤，我就坐在他的旁邊。他突然回過頭對我說：這個實驗室沒有白建。我沉浸在看到月壤的激動心情中，還沒有能夠理解他說這句話的含義。當我抬起頭看到他眼中泛著淚光，我瞬間就明白了。他跟我一樣背負著壓力，這個實驗室是他提議建的，我負責實施，我們倆一起找研究所要的錢。如果說我們沒有能夠拿到月球樣品，這個實驗室沒有用上，我們就浪費了研究所的資源，沒有辦法給大家一個交代。所以，每當我回想起這個場景，我就會覺得雖然“沒有白建”只有四個字，但是非常的沉重。后來的實驗都非常的順利，每個人的狀態(tài)都像打了雞血一樣。這就像我們準備一場足球比賽，苦練了十年，當正式比賽開始的時候，沒有人會計較得失、分析利弊，唯一所希望的就是能夠把自己過去十年所學習到的技能全部發(fā)揮出來。你會覺得，只要能夠讓你上場，就是上天最大的回報。▲左：第一個定年數(shù)據(jù)53小時
中：第一個氫同位素55小時
右：第一個鍶同位素數(shù)據(jù)101小時
但無論準備多么充分，做工作都是需要一些運氣的。最開始我們擔心可能找不到定年礦物，這個擔心一天之后就沒有了。我們在第一天就找到了，然后第二天就獲得了第一個年齡。整個7天下來，我們獲得了100多個定年礦物。▲左：第一個釹同位素數(shù)據(jù)148小時
中：白磷鈣礦需要20微米，只找到了3顆
右：“顛覆性發(fā)現(xiàn)”
后來我們又擔心找不到一種叫做白磷鈣礦的礦物。它需要足夠大，需要到20微米，才能做釹同位素分析，給我們提供一個關鍵的證據(jù)。這個還真是不太好找，到了第7天的時候，我們一共只找到了3顆，這個實驗是最后完成的。我記得最后在分析數(shù)據(jù)的時候，有了新的發(fā)現(xiàn)非常的激動，實在忍不住就給我們吳所長發(fā)了一條微信，我說“顛覆性發(fā)現(xiàn)”，巴拉巴拉講了一大堆，吳所長就回答了一個字：“好！”直到論文投稿，我們才從雞血的狀態(tài)中恢復過來。整個過程中，有兩個團隊一直跟著我們拍攝。最后他們跟我講了同一個感受：你們太輕松了。這個時候我就會想起那句“雞湯”，你必須非常努力，才能看起來毫不費力。往往人們只能看到你毫不費力的樣子，卻看不見你曾經(jīng)遇到的困難和經(jīng)受的痛苦。那我們到底獲得了哪些發(fā)現(xiàn)呢？首先，我們從這些月壤、細如面粉的月壤中，挑選出了玄武巖顆粒。然后，在玄武巖顆粒中找到了定年礦物，對它進行了定年，結果是20.30±0.04億年。這個結果就是說月球火山活動可以持續(xù)到20億年前，相比于過去的樣品所獲得的月球火山活動結束時間28億年前，要往后推遲了8億年。有一種比喻是說我們給月球延壽了8億年，這就是我們中國人給月球科學做出的貢獻。解決了一個問題，也產(chǎn)生了一個新的問題。月球是一個相對較小的天體，它理論上應該冷卻得比較快，在25億年以前就不會再發(fā)生火山活動了。但是嫦娥五號樣品證明，月球火山活動可以持續(xù)到20億年前。那么，它為什么會持續(xù)這么久呢？有很多可能的原因，但是我們首先去驗證了兩種最主流的假說：一種就是與克里普有關。因為克里普富含放射性生熱元素，可能會造成這個地方特別的熱，然后產(chǎn)生火山活動。另外一種是與水相關。因為巖石中的水含量高，它就會造成巖石的熔點低，也會產(chǎn)生火山活動。▲左：與克里普無關，排除局部異常熱
右：與水無關，排除局部熔點低
后來我們的研究發(fā)現(xiàn)，這兩種假說都被排除了。左邊這張圖就是我們獲得的釹同位素的結果，嫦娥五號的紅色區(qū)域跟克里普的綠色完全不相關。右邊這張圖就是獲得的水的結果，嫦娥五號的樣品跟阿波羅相比其實更不富含水，所以第二種假說也被排除。總結一下，我們測定了一個年齡、排除了兩個假說、發(fā)表了三篇論文，并且留下了一個問題。文章上線的那天，恰好是我們拿到月球樣品的第99天，科學院舉行了新聞發(fā)布會，我也發(fā)了一個朋友圈，很多的感慨，很多的發(fā)自肺腑的感激。因為我經(jīng)常會這樣去想這個問題，如果十多年前我沒有能夠偶然地進入林老師的團隊，那么今天會是什么樣子？很顯然，結果不會有任何的改變，因為起決定性作用的是一個百年老所的精神傳承，是領導們的遠見，是前輩科學家們的推動和引領。而我能夠參與進來，是偶然的，甚至可以說是受到了命運的眷顧。所以，不是我選擇了做這件事，而是命運選擇了我。在那一瞬間，我突然就理解了什么是責任感和使命感，當命運選擇我的時候，我同時就背負了使命感和責任感。我必須全力以赴，才能對得起命運的眷顧。故事到這里還沒有結束，因為我們留下了一個問題：月球長時間火山活動之謎還沒有解開。有很多種可能的原因都還需要我們一一去驗證。因此，我們又申請了第三批月球樣品，這一次我們有了新的責任和使命。我們說月壤是一本歷史書，它記錄了月球的歷史，但是對絕大多數(shù)人來說，它是一本天書既看不到，也看不懂。我們在研究月壤的過程中，看到了很多從未見過的現(xiàn)象，我們很激動、很興奮。命運讓我們看到這些現(xiàn)象，我們也就有了責任。這責任便是把這美麗的微觀世界、這激動的心情、這讀懂天書的喜悅，全都分享給大家。▲中國科普博覽微紀錄片《持有月壤的365天》
我猜你一定很好奇，我們把月壤帶回實驗室之后是如何做研究的，需要哪些高人的幫忙，需要使用哪些先進的技術，會出現(xiàn)什么樣的意外？為了回答這個問題，我們請中國科普博覽給我們記錄了全部的研究過程。它以紀錄片的形式，已經(jīng)在2022年的9月10日獨家發(fā)布，希望大家關注。感謝中國航天局提供的月球樣品，感謝中國科學院的資助，感謝中國礦物巖石地球化學學會科普工作委員會給我們的支持，感謝所有曾經(jīng)關心和幫助過我們的人們，謝謝大家！
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