中國嫦娥六號月球采樣返回任務公布首批4項研究成果，以封面形式發(fā)表在近日出版的國際學術期刊《自然》上。中國科學院院士、中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員吳福元表示，這一系列研究成果揭示了月球南極-艾特肯盆地的演化歷史，嫦娥六號樣品的返回和研究也創(chuàng)造了月球探測的新歷史。那么，嫦娥六號從月球背面帶回的樣品有什么重磅發(fā)現(xiàn)？它對于未來人類探月工程有何助益和啟示？

研究月背破解“二分性”之謎

由于地球的引潮力作用，月球圍繞地球運行的時候，始終只給地面上的人們展現(xiàn)“桂花樹下玉兔搗藥”的正臉，從來不露出它的后腦勺。直到1959年10月，蘇聯(lián)的月球3號探測器拍攝到月球背面的影像，對月球背面的研究才正式拉開序幕。

從看到月球背面影像的第一眼起，科學家就驚訝地發(fā)現(xiàn)，月球背面的樣貌非常陌生，單調(diào)無趣地遍布著撞擊坑，幾乎不存在月球正面那般明暗錯落的圖案。占據(jù)了月球正面30%以上的月海（實為玄武巖漫溢而成的平原），在月球背面的覆蓋率只有1%。隨著探月任務的不斷進展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，除了形貌不同之外，月球的正面和背面在成分、月殼厚度、巖漿活動等方面也存在顯著差異，引發(fā)了諸多疑問和猜想。比如，為什么月海大多分布在朝向地球的一面？為什么月球背面南極-艾特肯盆地的月殼很薄，火山活動反而不如正面的風暴洋活躍？形成南極-艾特肯盆地的那次撞擊對于月球演化起到什么作用？被廣泛接受的“巖漿洋”理論是否適用于月球背面？月球背面的地質(zhì)活動終于何時？由于月球“二分性”（指月球正面和背面的差異性，被列為探索月球奧秘最關鍵的科學問題之一）的形成機制一直懸而未決，所以這些問題都是我們認識月球形成和發(fā)展過程需要解答的。

研究月球的形成和發(fā)展過程有什么意義呢？月球陪伴了地球幾十億年，了解它的成長歷程有助于了解地球自身，畢竟由于板塊構(gòu)造運動與風化侵蝕，地球早期的巖石記錄難免受到“污染”，可能不夠準確。通過研究月球的地質(zhì)演化，還可以推導類地行星的演化發(fā)展，對于行星科學研究具有重要意義。

過去，科學家對月球的探測與著陸考察活動都集中在月球正面，對月球背面的認識主要基于遙感研究。20世紀60年代，蘇聯(lián)和美國先后發(fā)射繞月探測器，對整個月球表面開展遙感測繪工作。自中國探月工程實施以來，歷次嫦娥任務也在繞月飛行過程中對月球表面進行測繪。2022年，中國科學院以嫦娥一號到四號任務獲得的大量科學探測數(shù)據(jù)為基礎，綜合國際已有的月球地質(zhì)資料和研究成果，發(fā)布了世界首幅1∶250萬月球全月地質(zhì)圖，其精度是此前月球全月地質(zhì)圖的2倍。月球全月地質(zhì)圖能夠系統(tǒng)地提供月殼表面地層、構(gòu)造、巖性與年代等綜合地質(zhì)信息，反映月球巖漿作用、火山活動、撞擊事件等演化過程。

但是遙感探測終究是用電磁波“看”月球，看得再多，也不如采集月面樣品送回地球分析來得精確全面。2024年6月2日，嫦娥六號在月球背面的阿波羅盆地著陸，順利完成月面采樣任務，于6月25日攜帶1935.3克月壤樣品降落在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場，在人類歷史上首次實現(xiàn)從月球背面采樣并將其帶回地球。

嫦娥六號造訪的阿波羅盆地是一座非常古老的環(huán)形山，它沒有撞擊噴濺的輻射紋系統(tǒng)，部分表面已被黑暗的熔巖掩蓋，布滿眾多較小的撞擊坑和幾片熔巖填塞的微型月海。更重要的是，阿波羅盆地坐落在月球上最大、最深、最古老的南極-艾特肯盆地之中。該盆地直徑2500公里，相當于北京到三亞的距離，形成于大約42億年前的一次巨大撞擊，撞擊力度可能透過月殼直抵月幔。從阿波羅盆地這樣一個撞擊坑中采集月壤、月巖樣本，可以獲取有關月球演化史以及月球內(nèi)部的信息，為厘清月球正面和背面物質(zhì)組成的差異、破解月球“二分性”之謎提供寶貴線索。

首批4項成果均具“首創(chuàng)性”

中國科學家通過嫦娥六號樣品取得了多個關鍵性進展，我們來解讀一下此次在《自然》期刊發(fā)表的首批4項首創(chuàng)性成果。

首次揭示月背火山活動的年代

研究團隊從嫦娥六號月壤中分選出108顆玄武巖巖屑，使用“離子探針”測定其中鉛的3種同位素的豐度，通過鈾-鉛衰變的規(guī)律，反演出這些玄武巖顆粒從巖漿中結(jié)晶成巖的年代。玄武巖是火山成巖，是月球的“原住民”，可以真實反映月球火山活動的情況。研究發(fā)現(xiàn)，有107顆巖屑成巖年齡一致，極可能來源于同一期次的玄武巖噴發(fā)，噴發(fā)時代為28億年前，另有1顆高鋁玄武巖巖屑的噴發(fā)時代可以追溯到42億年前。兩期玄武巖數(shù)據(jù)綜合指示，月球背面的火山活動至少持續(xù)了14億年。尤其是此前從月球正面采集的玄武巖樣品中，從未有過28億年前這段時期的記錄，所以這一成果填補了月球研究的一項年代空白。

此外，早在嫦娥六號出發(fā)前，科學家已經(jīng)使用“數(shù)坑定年法”（越古老的地區(qū)積累的撞擊坑越多）估計其著陸區(qū)的年齡為30.7億至24億年。而樣品測定的28億年與此估算一致，這表明從研究月球正面建立的年代估算方法也適用于月球背面，并且同位素精確定年能進一步完善當前的撞擊坑統(tǒng)計模型，提供關鍵數(shù)據(jù)參照點。

首次獲得月背古磁場信息

地球液態(tài)外核的流動如同一個“發(fā)電機”，產(chǎn)生的磁場包裹著地球，屏蔽宇宙射線，保護大氣和水，形成適合生命繁衍的環(huán)境。月球也曾有過與地球類似的磁場發(fā)電機，但現(xiàn)在已經(jīng)不復存在。了解月球磁場發(fā)電機的演化過程，對于揭示月球的深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)、熱歷史及表面環(huán)境至關重要。

先前對從月球正面帶回的樣品進行古磁場強度研究，已經(jīng)確定了月球磁場的總體變化。對阿波羅返回樣品的研究顯示，月球在42億年至35億年前存在一個相對活躍的發(fā)電機所產(chǎn)生的磁場，強度可達幾十微特斯拉（特斯拉是國際單位制中磁感應強度的單位），接近地球現(xiàn)今的磁場水平。該磁場在約31億年前下降了一個數(shù)量級，之后維持在幾微特斯拉；15億年至10億年前，磁場強度再次下降，直到完全停止工作。

嫦娥六號帶回的首批距今約28億年的月球背面玄武巖，填補了月球磁場發(fā)電機演化過程中一個關鍵的時空空白。研究團隊對4顆毫米級玄武巖樣品開展的磁學研究結(jié)果顯示，樣品記錄的古磁場強度為5微特斯拉至21微特斯拉，這表明月球磁場在31億年前急劇下降之后，并不是一路下滑到底，而是在28億年前發(fā)生過反彈，原因可能是能量來源改變或者最初的驅(qū)動機制再次激活。

首次得知月背月幔的水含量

月球內(nèi)部的水含量對揭示月球起源及后續(xù)的熱化學演化過程非常重要。目前學術界普遍認為，在太陽系形成早期，一顆個頭相當于火星的天體“忒伊亞”撞擊了原始地球，拋出的物質(zhì)重新吸積便形成了月球。但在撞擊過程中，月球的水分揮發(fā)殆盡。那么，月幔究竟富水還是貧水？近20年來一直存在爭議。

嫦娥六號帶回的樣品為認識月幔水的時空演化提供了重要機會。通過測定玄武巖中磷灰石（主要與水結(jié)合的物質(zhì)）和熔融包裹體的水含量、氫同位素組成，研究團隊估測嫦娥六號玄武巖的月幔源區(qū)水含量僅為1-1.5微克/克，是已報道數(shù)據(jù)中的最低值。這表明背面月幔比正面月幔更“干燥”，月球內(nèi)部水的分布也像其他許多特征一樣，呈現(xiàn)出“二分性”。倘若整個月球背面的幔層都與嫦娥六號著陸點相似，那么月球整體水含量過去可能被高估了。無論如何，這項月球背面月幔水含量的研究成果具有里程碑式意義，為大碰撞起源假說以及月球的后續(xù)演化提供了關鍵的參考框架。

首次發(fā)現(xiàn)月背玄武巖來自超虧損源區(qū)

從16顆嫦娥六號玄武巖巖屑（0.5-6毫米）中，研究團隊挑選出較大的4顆分析其元素構(gòu)成后發(fā)現(xiàn)，這些玄武巖樣品來自極度虧損的源區(qū)。“虧損”指的是缺乏容易在巖漿熔體中富集的“不相容”元素，包括鉀、磷、稀土元素等。這些元素受自身離子特性限制，很難進入造巖礦物晶體結(jié)構(gòu)，寧愿以巖漿方式耗到不得不冷卻結(jié)晶的那一刻。

研究團隊認為，月球背面樣品中極度虧損，可能有兩種原因。一種原因是“先天虧損”，在受到廣泛支持的“巖漿洋”理論中，月球初期是個巨大的巖漿洋，當它冷卻結(jié)晶時，較為致密的礦物（如橄欖石、輝石等）沉入深處形成月幔，較輕的礦物（如斜長石等）浮向表面形成月殼，夾在二者之間的“不相容”元素最后才結(jié)晶。嫦娥六號玄武巖可能來自月球早期深部未受擾動的月幔，按照巖漿洋理論，這部分月幔必然是超虧損的。第二種原因是“熔體抽取”，南極-艾特肯盆地巨型撞擊事件引發(fā)了強烈的火山活動，大量巖漿被抽取出來并噴發(fā)到月球表面或侵入地殼，使剩下的月幔變得極度虧損。無論是哪種原因，嫦娥六號著陸區(qū)的超虧損地幔都為早期月殼-月幔分異打開了深入觀測的窗口。

為創(chuàng)建“中國的月球研究學派”而努力

在嫦娥六號月球采樣首批4項研究成果在《自然》期刊公布后，中國科研團隊收到了來自世界各地同行的祝賀。其中，英國開放大學行星科學與探測教授馬赫什·阿南德（Mahesh Anand）表示：“我們擁有來自月球的樣本已經(jīng)超過50年，是由（美國）阿波羅和（蘇聯(lián)）月球計劃采集的……而嫦娥六號獲得的樣本揭示了許多新的東西，迫使我們重新思索過去五六十年來關于月球起源、演化以及月球內(nèi)部水的歷史所形成的理論。”

可以說，嫦娥六號的成功是科學與工程深度融合的范例。科學發(fā)現(xiàn)依賴于工程技術的成功實踐，而科學研究又指導工程技術的具體實施。對月球背面樣品研究的多項首創(chuàng)性突破，得益于中國航天穩(wěn)健、迅速的發(fā)展。正是過去20多年中國航天人的努力拼搏，打開了中國深空探測的新局面。嫦娥六號圓滿完成人類首次從月球背面采樣返回的任務，使我國一舉躍升深空探測領域的最前沿，既獲得了揭示月球早期演化奧秘的獨特科學資源，又為重構(gòu)地月系統(tǒng)形成機制提供了難以復制的關鍵證據(jù)。

盡管4項研究成果齊發(fā)是個重磅新聞，但嫦娥六號月壤樣品的研究成果不止這些。早在嫦娥六號發(fā)射前一年，僅中國科學院地質(zhì)地球所就梳理出20多個關鍵研究問題，各有專人負責。收到樣品后的第16天，各個團隊負責的玄武巖測年、巖石學、地球化學、磁學、稀有氣體等首批成果已紛紛完成并投稿。

在嫦娥六號之前，只有美、蘇兩國從月球正面采集過月球樣品，并且只覆蓋了月球40億年至30億年前的片段。而嫦娥五號從月球正面帶回了迄今最年輕的20億歲月球火山巖，嫦娥六號月球背面樣品中最古老的物質(zhì)可追溯到42億年前，從時間和空間兩方面為月球演化的歷史“殘卷”補上了關鍵幾筆，填補了月球演化史的“晚年”與“童年”空白。

不過，嫦娥六號月球背面樣品僅揭開了月球奧秘的一角，實現(xiàn)月球演化歷史認知的突破仍然任重道遠。要走好這條路，技術突破是關鍵支撐，應利用我國在儀器載荷、地球化學分析、離子探針等方面的技術積累，為快速產(chǎn)出成果奠定基礎。同時，應聚焦關鍵核心問題，集中力量突破，而不是一味跟著國外的研究熱點走。正如吳福元院士所說的，盡管我國行星科學研究水平顯著提升，但未來仍需走出一條自主道路，創(chuàng)建“中國的月球研究學派”，形成自己的思路與特色。

（作者為中國科普作家協(xié)會會員）