李獻(xiàn)華，中國(guó)科學(xué)院院士，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員。他長(zhǎng)期從事大陸形成和演化的同位素地質(zhì)年代學(xué)和地球化學(xué)理論研究工作，建設(shè)了中國(guó)科學(xué)院第一個(gè)大型離子探針實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)出多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先水平的微區(qū)原位同位素定年新技術(shù)新方法。憑借多年的科學(xué)積累和實(shí)驗(yàn)技術(shù)儲(chǔ)備，他帶領(lǐng)月球研究團(tuán)隊(duì)丈量地球年輪，7天完成月球年代學(xué)、地球化學(xué)和同位素實(shí)驗(yàn)，揭示“嫦娥五號(hào)”采樣的玄武巖形成于20億年前，是目前月球上確定的最年輕火山巖。這項(xiàng)研究將月球上的火山作用結(jié)束時(shí)間延長(zhǎng)了8億年，改變了對(duì)月球的熱歷史和巖漿歷史的認(rèn)識(shí)，對(duì)月球起源和演化具有重要意義。

    2020年12月17日，“嫦娥五號(hào)”月球探測(cè)器攜帶著從月球采集到的1731克月壤樣品成功返回地球。這是人類(lèi)時(shí)隔44年后再次將月球樣品帶回地球，也使我國(guó)成為世界上第三個(gè)將月球樣品帶回地球的國(guó)家。月壤是月球上最重要的資源，對(duì)月壤的研究將為人類(lèi)進(jìn)一步了解行星起源、探索宇宙奧秘、開(kāi)展星際探測(cè)提供重要信息。這些月壤能為我們揭開(kāi)地月系統(tǒng)的奧秘，對(duì)人類(lèi)通過(guò)月球這個(gè)跳板邁入深空提供哪些有價(jià)值的信息？

月球?yàn)槭裁磳?duì)人類(lèi)有如此大的吸引力

    太空競(jìng)賽開(kāi)啟了蘇聯(lián)和美國(guó)在航天領(lǐng)域的力量爭(zhēng)奪，進(jìn)而也推動(dòng)了航天科技的進(jìn)步。1957年10月4日，蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克一號(hào)”，之后又將第一只地球生物流浪狗“萊卡”送往太空。1969年7月20日阿姆斯特朗和奧爾德林成為首次登上月球的人類(lèi)，人類(lèi)在另外一個(gè)星球上留下了腳印。阿姆斯特朗也留下了一句載入史冊(cè)的話(huà)：這是個(gè)人的一小步，卻是人類(lèi)的一大步。從1969年到1972年美國(guó)相繼成功發(fā)射了阿波羅12、14、15、16、17號(hào)飛船，先后共有12名宇航員成功登月，共采集了382公斤的月球樣品返回地球?！鞍⒉_計(jì)劃”歷時(shí)差不多11年，前后共有2萬(wàn)多個(gè)工廠、200多個(gè)大學(xué)、幾十萬(wàn)人參加，可以說(shuō)是動(dòng)用了舉國(guó)的力量。所以說(shuō)“阿波羅計(jì)劃”是世界航天史上具有劃時(shí)代意義的一個(gè)重大成就，它開(kāi)啟了月球研究的一個(gè)新的時(shí)代。“阿波羅計(jì)劃”和“月球計(jì)劃”返回的月球樣品為人類(lèi)在地面實(shí)驗(yàn)室分析、研究月球提供了珍貴的樣品，科學(xué)家通過(guò)分析這些帶回樣品獲得了大量數(shù)據(jù)和成果，對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)月球起到了關(guān)鍵作用。如今，俄羅斯和美國(guó)都提出了重啟“月球計(jì)劃”。其他一些國(guó)家也開(kāi)始加入新一輪的月球探測(cè)潮流。我國(guó)月球探測(cè)工程，又稱(chēng)為“嫦娥工程”，于2004年3月1日正式啟動(dòng)?！版隙鸸こ獭惫卜譃椤盁o(wú)人月球探測(cè)”“載人登月”和“建立月球基地”3個(gè)階段。作為中國(guó)啟動(dòng)的第一個(gè)探月工程，一期任務(wù)是實(shí)現(xiàn)環(huán)繞月球探測(cè)；二期任務(wù)是實(shí)現(xiàn)月面軟著陸和自動(dòng)巡視勘察；三期任務(wù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人采樣返回，整個(gè)計(jì)劃歷時(shí)20年。目前，探月工程的“繞”“落”“回”3個(gè)階段已經(jīng)全部圓滿(mǎn)實(shí)現(xiàn)。

人類(lèi)探索月球奧秘的關(guān)鍵一步

實(shí)現(xiàn)月球采樣，是人類(lèi)探索月球奧秘的關(guān)鍵一步。1969年，美國(guó)“阿波羅11號(hào)”兩名宇航員到達(dá)月球，實(shí)現(xiàn)人類(lèi)對(duì)月球的實(shí)地考察和樣品采集。自此之后美國(guó)又陸續(xù)發(fā)射多個(gè)飛船將宇航員送往月球，并攜帶了大量的月巖、月壤返回地球。這些月球樣品幫助人類(lèi)進(jìn)一步分析和了解了月球的奧秘。

通過(guò)對(duì)“阿波羅計(jì)劃”返回的樣品研究，我們獲得了哪些重要的新的知識(shí)呢？關(guān)于月球的起源。在“阿波羅計(jì)劃”之前，人們對(duì)月球的起源有很多假說(shuō)和猜想。第一種是地球分裂說(shuō)，這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為月球是從地球甩出去的，還有人說(shuō)甩出去那個(gè)坑在太平洋?，F(xiàn)在我們知道太平洋沒(méi)那么老，太平洋歷史總共不過(guò)六七億年。第二種是地—月共增生說(shuō)，這種觀點(diǎn)認(rèn)為早期的星球是通過(guò)一些星際塵埃慢慢增生起來(lái)的，地球和月球是一起增生的，一個(gè)大一個(gè)小。第三種是地球捕獲說(shuō)，地球比月球大，月球質(zhì)量很小，在飛翔的時(shí)候被地球捕獲了。但是這些假說(shuō)其實(shí)都很難成立，比如說(shuō)前面兩個(gè)假說(shuō)都沒(méi)辦法解釋地月系統(tǒng)有非常大的角動(dòng)量，也沒(méi)辦法解釋月球和地球早期存在巖漿洋，而地球捕獲說(shuō)就更難解釋月球的一些化學(xué)和同位素的成分特征。通過(guò)對(duì)“阿波羅計(jì)劃”返回的樣品研究，我們很快認(rèn)識(shí)到這些假說(shuō)是不對(duì)的，現(xiàn)在得到的認(rèn)識(shí)：月球是通過(guò)大撞擊形成的。差不多在45億年之前有一個(gè)和現(xiàn)在火星大小差不多的星球撞到原始地球上，這個(gè)星球被起了個(gè)名字叫“忒伊亞”，它撞上原始地球之后甩出了很多的固體碎屑和一些液體熔漿，甩出來(lái)的這些東西就形成了一個(gè)熔漿碎屑盤(pán)圍繞著地球，最后凝聚形成了月球。早期的時(shí)候它是個(gè)巖漿海，全是熔漿，只有內(nèi)部有一點(diǎn)點(diǎn)金屬核，相當(dāng)于月核，絕大多數(shù)都是巖漿海。這個(gè)巖漿海冷卻就要結(jié)晶，先結(jié)晶一種暗色的富含鐵鎂的礦物——橄欖石灰石。這些礦物很重，它們就沉下來(lái)了，慢慢形成了月幔。同時(shí)還會(huì)結(jié)晶一些長(zhǎng)石，主要是斜長(zhǎng)石，斜長(zhǎng)石的比重比較輕，它會(huì)浮上來(lái)，浮上來(lái)之后就形成了我們看到的月殼。

月球還有哪些未解之謎

2021年7月12日，“嫦娥五號(hào)”第一批月球科研樣品正式發(fā)放給國(guó)內(nèi)13家科研機(jī)構(gòu)，中國(guó)科學(xué)院取得了其中5克樣品。這5克月壤能告訴我們什么？

大家很好奇，月壤和地球上的土壤有什么相同和不同呢？甚至有人問(wèn)，月壤可不可以拿來(lái)種菜？相同之處就是月壤、土壤都很細(xì)，土壤基本上是由黏土、礦物巖石碎屑，還包括空氣、水、有機(jī)質(zhì)、微生物組成的。黏土是很有特點(diǎn)的一種礦物，它能夠吸收大量的水，地球的土壤能夠蓄水也能供水，所以就能成為植物生長(zhǎng)的一種介質(zhì)，同時(shí)土壤還能調(diào)節(jié)地球的大氣。而月壤里面則沒(méi)有這個(gè)東西，月球上不靠月壤種菜，月球上種菜關(guān)鍵是要有水。地球上種菜需要水、光照、溫度，空氣主要是二氧化碳，還要有光合作用和養(yǎng)分。其實(shí)土壤不那么重要，因?yàn)榭梢詿o(wú)土栽培?！版隙鹚奶?hào)”發(fā)射的時(shí)候裝了一個(gè)不到三公斤的載荷，這個(gè)載荷里面放了一些植物的種子，像棉花、馬鈴薯等植物種子，還放了一點(diǎn)點(diǎn)酵母，微生物以及果蠅等小動(dòng)物，然后這里面還放了一點(diǎn)點(diǎn)空氣，放了18克的水，這樣形成了一個(gè)小小的生態(tài)系統(tǒng)。這個(gè)載荷隨著“嫦娥四號(hào)”就發(fā)射到月球的背面去了，到了第九天，棉花種子發(fā)芽了，長(zhǎng)出一片綠葉，這是月球上的第一片綠葉。所以月球環(huán)境是可以長(zhǎng)出植物的，但不是靠月壤來(lái)做這個(gè)事情。月壤不能種菜，那月壤為什么重要？我們?yōu)槭裁椿ㄟ@么大力氣去采樣？

月球資源的多樣性是不如地球的。地球形成的時(shí)候只有60種礦物，現(xiàn)在礦物種類(lèi)超過(guò)了5000種，地球的演化歷史使礦物不斷地發(fā)展和演化，所以是多樣性的。那么月球現(xiàn)在有多少種礦物呢？大概就100來(lái)種，跟45億年前的地球差不多，稍微多一點(diǎn)點(diǎn)，這跟月球演化的歷史是有關(guān)系的。月球演化歷史比較短，它的多樣性就差些。所以月球的資源最重要的是月壤，為什么這么說(shuō)？月球是真空，沒(méi)有大氣，所以太陽(yáng)風(fēng)注入都要保存在月壤里面。太陽(yáng)風(fēng)最主要成分就是氫和氦，所以月球的氫和氦-3非常多。而地球不是這樣子。有個(gè)大氣圈保護(hù)了地球，一方面安全，要不然在太陽(yáng)風(fēng)的輻射下人類(lèi)生存都是有問(wèn)題的，同時(shí)太陽(yáng)輻射進(jìn)來(lái)的氫、氦-3被擋住了。所以月球資源和月球的演化歷史以及它的星球演化特點(diǎn)是有關(guān)系的。月壤里面的礦物、巖石、碎屑、玻璃、角礫等，都記錄了很多重要信息，包括月球形成演化的年代，月球火山活動(dòng)的記錄，月球的月殼、月幔的一些物質(zhì)組成特征，以及水和揮發(fā)分的分布和來(lái)源，包括月球的磁場(chǎng)、月球的太空風(fēng)化作用，以及隕石撞擊的歷史和月球的資源等等，特別重要。這些月壤能夠?yàn)檐壍肋b感和原位的就地測(cè)量提供一個(gè)實(shí)際樣品的檢驗(yàn)，否則我們永遠(yuǎn)只能得到一些間接數(shù)據(jù)。

月球?yàn)槭裁词巧羁仗綔y(cè)的起點(diǎn)

人們經(jīng)常用“火力壯”來(lái)形容一個(gè)人具有生命活力。對(duì)于月球而言，巖漿活動(dòng)是證明月球生命力的重要特征。此前對(duì)美國(guó)“阿波羅計(jì)劃”樣品的研究結(jié)果表明，月球在30億年前就已經(jīng)成為一顆死亡的星球，為什么“嫦娥五號(hào)”帶回的月球樣品，改寫(xiě)了月球的壽命？那么，月球到底“死于”何時(shí)？同樣是去月球“挖土”，“嫦娥五號(hào)”和“阿波羅計(jì)劃”所取得的月壤有何不同？

2022年3月24日《自然》雜志發(fā)了一篇評(píng)論文章，文章題目是《中國(guó)首批月球巖石點(diǎn)燃了研究熱潮》，這篇文章說(shuō)到“嫦娥五號(hào)”返回樣品為了解月球的演變提供了令人振奮的信息。那么“嫦娥五號(hào)”到底提供了哪些重要信息？這些研究結(jié)果有什么重要意義呢？第一，我們測(cè)算出“嫦娥五號(hào)”帶回的玄武巖的年齡是21億年，這是準(zhǔn)確、精確的年齡。它比過(guò)去的數(shù)據(jù)至少晚了8億年以上，也就是說(shuō)我們的研究結(jié)果將月球的火山活動(dòng)結(jié)束時(shí)間推遲了8億年，給月球這個(gè)星球延壽了8億年。第二，我們發(fā)現(xiàn)這些玄武巖是來(lái)自于克里普地體，過(guò)去認(rèn)為克里普地體月球表面放射性元素很高，可是測(cè)量結(jié)果告訴我們克里普地體的深部月幔這些放射性生熱元素不高。所以我們要重新考慮一下，克里普地體到底下面是不是有富含放射性生熱元素的克里普地體組分？第三，“嫦娥五號(hào)”帶回玄武巖的水含量很低，月幔也很干。月幔為什么會(huì)這么干？我們認(rèn)為是月幔多次熔融，把水慢慢抽干了，變得越來(lái)越干，逐漸地貧水。

我國(guó)有一個(gè)深空探測(cè)的重大專(zhuān)項(xiàng)，這個(gè)重大專(zhuān)項(xiàng)里面包含兩方面內(nèi)容。一個(gè)是探月工程，我們已經(jīng)順利完成探月1期、2期、3期，現(xiàn)在正在執(zhí)行探月4期。探月4期有3個(gè)任務(wù)，其中一個(gè)是“嫦娥六號(hào)”的任務(wù)，我們要到月球的背面去采樣，去研究月球早期的地質(zhì)演化歷史。另一個(gè)也設(shè)計(jì)了“嫦娥七號(hào)”的任務(wù)，“嫦娥七號(hào)”將在月球南極登陸，勘查那個(gè)地方月球的水冰和礦物資源?！版隙鸢颂?hào)”的任務(wù)是協(xié)同“嫦娥七號(hào)”完成任務(wù)，它最重要的任務(wù)是為國(guó)際月球科研站建設(shè)積累科學(xué)和技術(shù)的基礎(chǔ)。這個(gè)重大專(zhuān)項(xiàng)還有一部分是做行星探測(cè)的，“天問(wèn)1號(hào)”已經(jīng)發(fā)射成功了，目前在軌運(yùn)行，“天問(wèn)2號(hào)”計(jì)劃在2025年左右發(fā)射，另外“天問(wèn)3號(hào)”是做火星采樣返回的，“天問(wèn)4號(hào)”是要完成木星及其冰衛(wèi)星的探測(cè)任務(wù)，這兩個(gè)任務(wù)都還在計(jì)劃中。國(guó)際月球科研站由我國(guó)主導(dǎo)，多國(guó)參與，目前還在論證階段。我們的規(guī)劃是分3個(gè)階段做這件事情，一個(gè)是勘查，這個(gè)由探月4期來(lái)做，后面的是建設(shè)，最后是使用，我們計(jì)劃在2036年到2045年左右，能夠使用國(guó)際月球科研站來(lái)進(jìn)行科學(xué)研究、技術(shù)實(shí)驗(yàn)、資源開(kāi)發(fā)利用。月球空間站不僅是去開(kāi)發(fā)資源的，它還有很多用處。月球是一個(gè)微重力場(chǎng)，它的重力只有地球的1/6，所以有些在地球上不能做的事情，月球上可以做。特別在月球背面，它不受地球一些信號(hào)的影響，做一些天文學(xué)的觀察是最佳的地方。月球探測(cè)和研究具有多方面的價(jià)值，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)地月系統(tǒng)邁向深空的起點(diǎn)，宇宙深空奧秘?zé)o窮，探索也永無(wú)止境。