導(dǎo) 語
沉寂四十多年之后，人類再次從月球表面采回新的樣品。北京時間2020年12月17日1時59分，嫦娥五號樣品艙成功返回地球，圓滿實現(xiàn)我國探月工程第一階段“繞”、“落”、“回”三步走的目標(biāo)。嫦娥五號采回的月球樣品和阿波羅樣品有什么區(qū)別？我們能從中獲得哪些新的科學(xué)認(rèn)識？The Innovation邀請行星科學(xué)家為我們做出深度解讀。
北京時間2020年12月17日1時59分，嫦娥五號樣品艙成功著陸在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸區(qū)。這是中國探月工程（CLEP）的又一重要里程碑，圓滿實現(xiàn)了第一階段“繞”、“落”、“回”三步走的目標(biāo)。中國從此成為繼美國和前蘇聯(lián)后第三個從月球成功采樣返回的國家。這也是繼1972年美國“阿波羅17號”和1976年前蘇聯(lián)“月球24號”采樣返回任務(wù)之后，人類探測器再一次從月球采回樣品。
嫦娥五號于2020年11月24日4:30從海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，并于12月1日著陸在月球風(fēng)暴洋地區(qū)（圖1）。經(jīng)過19個小時的月面活動后，樣品采集和封裝工作于12月2日完成。隨后，上升器攜帶著樣品從著陸器頂部起飛并與軌道器（返回艙）交會對接。12月17日樣品艙返回地球。
嫦娥五號的月球樣品采集有兩種方式：月壤巖芯鉆取和表壤抓取（圖1）。嫦娥五號著陸器上裝備有全景相機(jī)和著陸相機(jī)，獲得了著陸區(qū)高分辨率地形地貌圖像；可見-近紅外成像光譜儀獲得了月球表面光譜特征和物質(zhì)成分；探月雷達(dá)獲得了淺表結(jié)構(gòu)；這些數(shù)據(jù)為返回樣品提供了關(guān)鍵的地質(zhì)背景。
圖1 左：月球正面月海玄武巖模式年齡[1]與放射性元素釷（Th）含量的分布[2]。紅色點為嫦娥五號著陸點位置，青綠色點為阿波羅任務(wù)著陸點，藍(lán)色點為月球號著陸點（圖片修改自QuickMap, https://quickmap.lroc.asu.edu/）。右：嫦娥五號在月球表面巖芯鉆取和表壤抓取的示意圖。
月球樣品對于月球科學(xué)研究而言是無價之寶。對阿波羅月球樣品的研究極大地推動了月球科學(xué)的發(fā)展。例如：阿波羅樣品中發(fā)現(xiàn)的純斜長巖碎屑揭示了月球表面曾經(jīng)是一個熔融的巖漿洋[3]。用返回樣品的絕對年齡進(jìn)行校準(zhǔn)，建立的撞擊坑定年法(依據(jù)撞擊坑的密度來確定天體表面年齡)是獲取類地行星和小天體表面年齡的最重要方法[4]。月球物質(zhì)成分與地球的相似性為月球形成的假說提供了重要證據(jù)[5]。
嫦娥五號選取的著陸點遠(yuǎn)離美國阿波羅計劃的6個采樣點，以及前蘇聯(lián)月球號計劃的3個采樣點（圖1）。相對于非常不均一的月球表面，阿波羅計劃和月球號計劃的采樣點，僅能代表月表約5-8%面積。嫦娥五號將提供不同的月球樣品，從而更加全面和深入地認(rèn)識月球。
基于撞擊坑定年的結(jié)果，嫦娥五號著陸點的熔巖流異常年輕，僅12~20億年[6-8]。作為對比，阿波羅計劃與月球號任務(wù)采集的玄武巖年齡為31~39億年。通過對嫦娥五號樣品的同位素定年，可以校正月球撞擊通量曲線（圖2），從而使得撞擊坑年代學(xué)更加準(zhǔn)確地測定10~30億年之間的事件年齡。
圖2 月球撞擊通量曲線。嫦娥五號樣品將提供關(guān)鍵的絕對年代數(shù)據(jù)，從而更準(zhǔn)確的擬合撞擊通量曲線。（修改自https://sservi.nasa.gov/articles/video-the-lunar-crater-chronology/）
現(xiàn)有理論認(rèn)為，月球曾覆蓋著深達(dá)數(shù)百公里的巖漿洋。隨著巖漿洋的不斷冷卻結(jié)晶，放射性元素鈾（U）和釷（Th），以及鉀、稀土和磷（K、REE、P，縮寫KREEP，即克里普）在殘余熔體中不斷富集，最終集中在月球的殼-幔之間。月球正面風(fēng)暴洋區(qū)域的玄武巖等顯示出最富集這種克里普組分的特征，而嫦娥五號著陸點即位于這一地區(qū)（據(jù)釷含量分布），并且年齡非常年輕（圖1）。因此，嫦娥五號樣品可以揭示月球最晚期的火山活動及其月幔源區(qū)的地球化學(xué)特征（圖3）。
圖3 月殼形成演化歷史。嫦娥五號樣品將揭示月球最晚期的火山活動及月幔巖漿源區(qū)的地球化學(xué)特征。（修改自https://www.open.edu/openlearn/ocw/mod/oucontent/view.php?id=69111§ion=4.6）
此外，嫦娥五號樣品可能還記錄了月球磁場的信息，保存了注入的太陽風(fēng)。鉆取的月壤巖芯就像一本歷史書，記載了月球表面十多億年來的演化過程。
總結(jié)與展望
嫦娥五號月球樣品的采集并返回，將促進(jìn)行星科學(xué)與地球科學(xué)的交叉融合，為我國行星科學(xué)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，也使我國地球科學(xué)的研究有一個更加廣闊的視角。同時，返回月球樣品的研究為現(xiàn)代地球化學(xué)分析技術(shù)的進(jìn)步提供了非常重要的機(jī)遇。
參考文獻(xiàn)
1. Hiesinger, H., et al., Ages and stratigraphy of lunar mare basalts: A synthesis, in Recent Advances and Current Research Issues in Lunar Stratigraphy. 2011, Geological Society of America. p. 1-51.
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3. Wood, J.A., et al., Lunar Anorthosites. Science, 1970. 167(3918): p. 602-604.
4. Sto?ffler, D., et al., Cratering History and Lunar Chronology. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2006. 60(1): p. 519-596.
5. Canup, R.M., Dynamics of Lunar Formation. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 2004. 42(1): p. 441-475.
6. Jia, M., et al., A catalogue of impact craters larger than 200 m and surface age analysis in the Chang'e-5 landing area. Earth and Planetary Science Letters, 2020. 541.
7. Qian, Y.Q., et al., Geology and Scientific Significance of the Rümker Region in Northern Oceanus Procellarum: China's Chang'E-5 Landing Region. Journal of Geophysical Research: Planets, 2018. 123(6): p. 1407-1430.
8. Wu, B., et al., Rock Abundance and Crater Density in the Candidate Chang'E-5 Landing Region on the Moon. Journal of Geophysical Research: Planets, 2018. 123(12): p. 3256-3272.
本文內(nèi)容來自Cell Press 合作期刊The Innovation 將于2021年第一期發(fā)表的News & Buzz 文章“New lunar samples returned by Chang'e-5: Opportunities for new discoveries and international collaboration” (投稿: 20201207；接收: 20201211)
本文鏈接：www.cell.com/the-innovation/home
作者簡介
楊蔚，The Innovation青年編委，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員，納米離子探針實驗室主任。嫦娥3號、4號任務(wù)科學(xué)家團(tuán)隊成員。主要從事離子探針分析技術(shù)研發(fā)和巖石地球化學(xué)研究。在PNAS、NSR、GCA、EPSL等雜志發(fā)表SCI論文50余篇。
林楊挺，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員，國際隕石學(xué)會會士，中國空間科學(xué)學(xué)會常務(wù)理事。嫦娥3號、4號任務(wù)科學(xué)家團(tuán)隊組長，首次火星探測任務(wù)預(yù)先研究團(tuán)隊組長，載人航天工程空間科學(xué)與應(yīng)用領(lǐng)域月球與行星科學(xué)專家組首席科學(xué)家。長期從事隕石學(xué)和行星科學(xué)研究，包括小行星與太陽系的形成，火星隕石與火星的地質(zhì)演化，以及月球的形成與演化，參與我國月球與深空探測工程的科學(xué)目標(biāo)論證。在PNAS、Nature Astronomy、Science Advance、NSR、GCA、 EPSL、GRL等雜志發(fā)表SCI論文120余篇。
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