欢迎您访问生活质网(SHZ360.Com)
今天是 2024年07月14日 星期日

生活质网

嫦娥月背“挖宝”含金量有多高

  2024年6月2日,嫦娥六号在月球背面南极-艾特肯盆地中的预选着陆点着陆,顺利完成月壤与月岩采样任务。4日7时38分,嫦娥六号上升器携带月球样品自月球背面起飞,并成功进入预定环月轨道,踏上回家的路。

  嫦娥六号首次月背“挖宝”的壮举令世界瞩目,那么,月背采样难在哪儿?为何人类执着于探索月背?其科研价值对未来月球的探索有哪些贡献?

  月球的背面有多神秘

  月球的自转与公转周期完全相同,所以在地球上永远只能看到它的正面,看不到背面。这种现象被称为“潮汐锁定”,是引力作用下的必然现象,在太阳系的众多卫星中非常普遍。

  1959年,苏联的月球3号探测器首次拍摄到月球背面的影像。1968年,美国的阿波罗8号绕月飞行时,3位宇航员成为第一批看到月球背面的人类。直到2019年,中国的嫦娥四号在月球背面着陆,才终于有探测器抵达这片神秘的领域。

  令科学家吃惊的是,月球两面的外观明显不同。月球背面入眼皆是单调乏味的撞击坑,大家熟悉的月球正面那种明暗有致的浪漫图案,在月球背面基本不存在。如果直接把月球背面的照片摆到眼前,很多人的第一反应估计以为是水星,不会想到是月球。

  月面上的暗色月海是玄武岩岩浆“浇铸”出的平原,而明亮的月陆则以斜长岩的山地为主。为什么月海集中在月球正面呢?目前有多种猜想,尚无定论。例如,有假说认为是地球潮汐力的作用,使得月球正面的岩浆更易涌向表层;也有假说认为,在月球形成早期遭受小天体的无差别轰炸期间(这种轰炸当时在整个太阳系都很盛行),月球背对炽热地球的那一面率先凝结了较厚的月壳,因此玄武岩喷涌更容易出现在月球正面。也许月球的两面差异是由多种原因综合造成的,目前的各种假说都只解释了部分成因。

  在太阳风的吹拂下,地球磁层被塑造成拖着长尾的水母形状。满月前后,也就是月球正面朝向太阳的期间,月球会运行到长尾里,被地球的磁层罩护,此时也会有从地球大气逃逸的粒子飘向月球;而在新月前后,月球会运行到磁层“海蜇头”以外,此时月球背面朝向太阳,会遭受太阳风的猛烈冲击。所以,月球正面和背面所处的空间环境是不同的,水合矿物含量、空间风化特征与月尘的电磁学性质等也会有差异。

  实勘深入认知月球

  人类想深入认识月球的形成与发展,就必须要了解月球的正反两面。过去,科学家对月球的探勘与着陆活动都集中在月球正面,而中国探月工程对月球背面进行的实地勘测,在深入认知月球的道路上留下了月球背面的第一行履迹。

  从对月球背面的宏观认识来说,苏联和美国早有收获。20世纪60年代,两国先后发射绕月探测器,对背面在内的月球表面进行过测绘,发布过全月模型与月球地质图。月球地质图能够系统提供月壳表面地层、构造、岩性和年代等方面的综合地质信息,反映月球岩浆作用、撞击事件、火山活动等演化过程。

  自中国探月工程实施以来,各次嫦娥任务尽管主要是落在月球正面,却都在环月飞行过程中对月球表面包括背面进行过测绘。2022年,中国科学院以嫦娥一号到嫦娥四号任务获得的大量科学探测数据为基础,并综合国际上已有的其他月球地质资料和研究成果,绘制了世界首幅1∶250万月球全月地质图,其精度约为此前月球全月地质图的2倍。

  中国的全月地质图建立了撞击坑物质、撞击盆地构造、岩石类型和构造类型的划分体系,提出了新的月球地质年表,采用“三宙六纪”的划分方案,将月面历史分为冥月宙(岩浆洋纪)、古月宙(艾肯纪、酒海纪和雨海纪)、新月宙(爱拉托逊纪和哥白尼纪)。这三宙分别代表着月球演化过程中以内动力地质作用为主的阶段、内外动力地质作用并重的阶段,以及外动力地质作用为主的阶段。说得直白些,它们的划分依据侧重于岩浆运动和外来撞击的权重变化。

  中国探月工程也收获了对月球背面局部的深入认知。2019年1月3日,嫦娥四号怀抱玉兔二号在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯·卡门环形山着陆。根据探测器搭载的可视-近红外成像光谱仪的初始观测结果,科学家推断月面上的低钙辉石与橄榄石矿物可能起源于月幔,这也是人类首份关于月球背面幔源物质的初步证据。

  根据嫦娥四号的测月雷达和相机数据,科学家研究建立了嫦娥四号着陆区深达40米范围内的地层剖面及多期次溅射物覆盖关系,首次揭开月球背面地下结构的面纱,提高了人类对月球撞击与火山活动等地质演化历史的理解。嫦娥四号还对在月面上建立生态系统进行了预研。它带有一个生物试验载荷罐,内有种子、昆虫卵和酵母菌。在该试验中,载荷罐里的低酚棉种子萌发并存活了212小时45分钟,成为月球上首次长出的地球植物嫩芽。

  截至2024年5月,玉兔二号已在月球背面行驶了1596米,工作情况正常,它是在月面上工作时间最久的月球车。玉兔二号通过对着陆区的光谱、石块分布、浅层结构进行分析,获得着陆区形貌和物质矿物组成、来源、特性等科学结论。它首次通过原位探测直接得到月球深部物质组成,揭示月球背面特别是南极-艾特肯盆地复杂的撞击历史,给月壤形成与演化模型提供了关键证据,成为日后南极着陆和巡视探测选址的重要参考。

  与嫦娥四号一样,此次嫦娥六号也着陆于南极-艾特肯盆地。南极-艾特肯盆地是月球上最大、最深、最古老的盆地,它形成于大约42亿年前的一次巨大撞击,撞击的力度可能直透月壳,深抵月幔。在此地采集到的月壤、月岩样本,可以获取到有关月球演化史以及月球内部的信息。说到“古老”,大家可能会好奇,如何知道某处年代古老呢?有个相对简单的方法就是“数坑”。古老的月表遭受的撞击次数较多,另外,新坑会叠在老坑上面(反之则不行),根据坑数和叠加关系,就可以判断各处的地质年代。

  南极-艾特肯盆地直径2500公里,所以更明确地说,嫦娥六号是在“盆中之盆”阿波罗环形山附近着陆的。这个环形山也不小,直径大约524公里,是非常古老的一座环形山。它没有撞击喷溅的辐射纹系统,部分地表已被黑暗的熔岩掩盖,上面布满众多较小的撞击坑和几座被熔岩填塞的小型月海。在南极-艾特肯盆地的地貌中,阿波罗环形山很有代表性,对它的实地考察可进一步了解该处的形成和构造历史。

  月背采样将带回哪些“惊喜”

  嫦娥六号肩负着人类首次月背采样的重任,那寻找这些物质对于月球探索有什么意义?月背采样与月球正面的采样又有何不同呢?

  据中国科学院地球化学研究所介绍,嫦娥六号在阿波罗盆地采样的主要任务包括寻找新矿物、寻找深部物质、寻找古老物质、研究苏长岩、寻找名义含水矿物、寻找高压矿物等。

  新矿物 由于月球的形成历史和条件与地球差别很大,而且月球本身结构也不均一,所以嫦娥六号在月背着陆点很可能发现新的矿物与岩石。

  深部物质 南极-艾特肯盆地是月球上最大最深的古老撞击盆地,撞击力度极大,有些月幔物质可能会翻到表面上来。但是,在月幔物质熔化-冷凝的过程中,不同化学成分的矿物岩石分离,会变得难以识别,也有可能被后来的撞击溅射物掩埋,因此实地勘测才能得到比遥感数据更可靠的真实样本。

  古老物质 前文说过,根据数坑法可以大致认定月表各处的地质年龄。目前所知的南极-艾特肯地区大约是42亿岁,如果获取岩石样本,对可定年的矿物(如锆石、磷灰石等)进行更可靠的同位素测定,就能够进一步修正认知。

  苏长岩 根据遥感数据,南极-艾特肯盆地的主要岩石类型是苏长岩。苏长岩的成因较多,有可能是深部物质,也有可能来自撞击后的熔融物分离。研究苏长岩的成因,有助于研究该盆地的演化历史。

  名义含水矿物 当月球运行到地球磁尾时,逃逸的地球大气分子会飘到月球,月球有可能受其影响形成名义含水矿物,即没有水分子却有水合物或羟基结构的分子。理论上说,月球背面不会像正面那样“雨露丰沛”,但万一有所发现,就会是很有意义的突破。

  高压矿物 阿波罗环形山既是撞击地形,又可能是深部物质的暴露区。撞击本身意味着高压,而月幔深部的压力本身也不小,所以这里具有形成高压矿物的有利条件。

  为了达到更好的采样效果,嫦娥六号采取了表取和钻取两种取样方式。表取就像扫地一样,把表面月壤扒拉到收集器里,钻取则需深入月面最深2米处。二者取得的样本有不同含义:表取的月壤长期暴露,更多地反映了月球背面的空间环境,月壤中甚至可能含有外来撞击天体的成分;而钻取的样本则反映了月壤的堆叠发育,有助于认识月球的发展历程,所以钻取获得的月壤、月岩,其层次结构在封存时必须保持原样,不能一股脑儿倒入收集器。有网友提问,表取为什么不用吸尘器?按说这样取样更方便,样本量更大。原因是月球没有大气,吸尘器是无法工作的。2020年,美国的奥西里斯王号探测器在贝努小行星取样时,用的办法是猛吹一口氮气,把小行星表面的石砾沙尘吹进收集器,最终获得了121.6克的小行星样本。

  有嫦娥五号的月球正面采样在前,很多人关心嫦娥六号这次能带回什么“惊喜”?作为嫦娥五号的备份星,嫦娥六号在基本设计上与嫦娥五号相同,不同的是它们的着陆地点。嫦娥五号在月球正面年轻的吕姆克山地区着陆,为的是研究月球地质活动的最晚期限。而嫦娥六号要研究的是月球早期演化历史,所以,可以期待它带回的样本与嫦娥五号迥然有异。按照以往惯例,月壤、月岩研究是个细致的过程,耗时较久,届时“惊喜”自会揭晓,大家可拭目以待。

  嫦娥六号承前启后突破关键技术

  其实,嫦娥六号属于中国探月工程的追加计划。中国的整个月球计划原本分为“探、登、驻”(探月、登月、驻月基地)的“大三步”,其中“探”又分为“绕、落、回”(绕月飞行、月面着陆、取样返回)“小三步”。此前,嫦娥一号、嫦娥二号实现了“绕”,嫦娥三号、嫦娥四号做到了“落”(三号落正面,四号落背面),到嫦娥五号取样返回时,探月工程事实上已经完成了“回”。所以,2021年探月工程又追加了一步“勘”,称为探月工程第四期,嫦娥六号到嫦娥八号的目标都是对月球展开包括地形地貌、物质构成和空间环境在内的综合勘测与科研活动,并验证部分关键技术,为“登”和“驻”做一些前期探索。

  有了这幅更大的图景,大家就能看明白,为什么嫦娥七号和嫦娥八号将来要奔赴月球南极,又为什么要提前发射鹊桥二号中继通信卫星。在地球上“万物生长靠太阳”,然而在月球上,太阳就让人爱不起来了。月球的真空环境保不住液态水,白昼温度可达120℃,大部分地方留不住冰。而有可能存在冰的地方,是在月球两极环形山的山窝窝里,科学家称之为“永夜坑”,以月球南极居多。所以,倘若能在那里勘到水冰乃至水合矿物的存在,对于建设驻月基地十分有利。

  在月球南极很难和地球进行有效通信,所以中国发射了鹊桥二号中继通信卫星,让它覆盖月球南半球天空,搭起探测器和地球的通信桥梁。这次嫦娥六号的月背任务,就是在鹊桥二号中继通信卫星的协助下完成的。

  因此,嫦娥六号在中国探月工程中的作用是承前启后,它突破了月球逆行轨道设计与控制技术,以及月背智能采样与起飞上升技术。中国探月工程也借助嫦娥六号的契机,与多个国家开展了有效的科技合作。比如,嫦娥六号搭载的着陆载荷有意大利的漫游激光角反射器、法国的氡气探测仪和欧空局/瑞典的月表负离子探测仪等。此外,轨道器外部还挂载了巴基斯坦与上海交通大学合作的一颗立方星,这颗微型卫星担负着在月球轨道上拍照与探测月球磁场的任务。

  对于嫦娥六号在月球背面的成功着陆,各国航天界也给予了高度关注。路透社称,中国第二次登上月球背面,这是其他国家都没有到达的地区。美国《太空新闻》网站称,此次着陆是将独特且科学价值极高的月球样本带到地球进行分析的关键一步。毫无疑问,嫦娥六号任务的成功,让全世界对中国的航天实力和科技创新有了全新认识。而对于中国而言,随着嫦娥七号、嫦娥八号等一系列探月任务相继登场,有望在月球样品返回、月球南极极地探测等领域取得更多重大突破,为人类探索太空做出更大贡献。

  (作者:雷淼 为中国科普作家协会会员)

上一篇:科学家用AI造出最强铁基超导磁体
下一篇:市场监管总局发布首批《食品安全风险管控清单》

心灵鸡汤

人之所需,并不是要做些事,而是要有所为,或是说,需有所是。——梭罗

今日导读

热门点击