編譯 瞿立建

1969年7月20日，阿波羅11號登陸月球，宇航員尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林踏上了月球表面，邁克爾·柯林斯駕駛哥倫比亞號指令艙環(huán)繞月球飛行?！斑@里是靜?；?，‘鷹’著陸成功”成為阿波羅登月事件中最熱流行語之一，‘鷹’指的是鷹號登月艙。阿波羅11號成功登月也為阿波羅的另外5次登月奠定了基礎。

阿波羅每一次登月都對著陸點做了精心的研究，并開展了各種實驗，探測月球內部，測量太陽風。訓練有素的宇航員考察了月球地質，收集了月球巖石和表巖屑的樣本。表巖屑就相當于月球的土壤，是月球的巖石被微隕石撞擊后產生的碎片，覆蓋在月球表面上。經過半個多世紀的研究，這些樣本不僅揭示了月球的起源和歷史，而且還揭示了我們所在的太陽系的運行情況。

阿波羅11號

阿波羅11號帶來的科學成果確立了月球和行星科學的關鍵范式。阿姆斯特朗克服重重困難，把鷹號登月艙降落在靜?？涌油萃莸男鋷r平原上。艙外活動時間很短，只有兩個半小時，進行的科學活動有：開展月球表面實驗，探索著陸點附近的一些隕石坑和60米外的隕石坑——小西坑，如圖1所示。奧爾德林在月球上留下的腳印呈現出月球土壤的面目，可看出月球土壤是細細的顆粒、具有粘性、緊密堆積在一起。

早期的阿波羅科學實驗儀器包括：無源地震儀、激光測距后向反射器和其他設備。地震儀在短短三周內設計出來，但成為第一把探測月震數據奧秘的鑰匙。阿波羅12號、14號、15號和16號帶到月球上的地震儀連成網絡，探測月球內部結構，并最終測量了數千次月震。

阿波羅11號在月球上安裝了一個激光后向反射器，這種設備阿波羅計劃后又安裝了4個。當月球慢慢遠離地球時，主動激光測距仍然精確地測量月球與地球之間的距離。阿波羅11號帶回來約22千克樣本。（阿波羅計劃總計帶回了382千克樣本，其中最后一次登月的阿波羅17號運回了111千克樣本。）阿波羅11號帶回來了表巖屑，人類得以在地球上分析表巖屑的成分。編號為10084的表巖屑樣本被稱為“阿姆斯特朗填充土”，可能是歷史上研究最多的地質樣本。

圖1 阿波羅11號著陸點處美國國旗、電視攝像機、科學實驗設備位置。阿姆斯特朗和奧爾德林在月面踩出了一條小徑

帶回地球上的月球巖石大部分是玄武巖，即行星(或月球)內部部分熔融體形成的火山巖。月球上的玄武巖的鈦含量比地球上任何玄武巖都要高，但成分與地球上的玄武巖類似，主要是鎂鐵鈣硅酸鹽礦物輝石、鈣鋁硅酸鹽礦物斜長石和鐵鈦氧化物鈦鐵礦。

放射性年代測定發(fā)現，月球玄武巖的形成時間距今超過35億年；從巖石和表巖屑之間的同位素關系可推知，月球非常古老，形成于44億年前。盡管火山巖含有小泡，表明火山噴發(fā)時釋放出氣體；但沒有證據表明火山巖發(fā)生過蝕變，火山巖里幾乎沒有水、二氧化碳和其他揮發(fā)物。月球上的巖石也完全沒有任何生命跡象。

表巖屑樣本中含有豐富多樣的物質，蘊含無價的信息（見圖2）。在月球歷史上，流星和小行星的撞擊無時無處不在，撞擊出的巖石碎片散落在撞擊點周圍方圓幾十至數百千米的地方。撞擊過程中，火山玻璃、撞擊玻璃和角礫巖碎片混合在一起，組成了表巖屑。此外，微隕石撞擊表巖屑，高溫冷卻之后，還會使表巖屑燒結在一起。表巖屑還會混合進來遠處月球高地散落過來的斜長巖小碎片。

1970年，地質學家約翰·伍德（John Wood）等人推斷，斜長巖晶體漂浮到巖漿洋的表面，慢慢聚集起來，最終形成了富含斜長巖的月殼。相反，密度較大的礦物，如輝石和橄欖石，下沉形成月幔。因此，月球形成時候的溫度很高，并在其歷史早期經歷了分化。月球早期的歷史就是由表巖屑中的一把小巖石碎片揭開的。

阿波羅12號和14號

4個月后，1969年11月，阿波羅12號發(fā)射升空。登月艙“無畏號”執(zhí)行了一次精準的著陸，距離“勘測者3號”飛船只有幾步遠?？睖y者3號是阿波羅11號登月之前發(fā)射到月球上的登月航天器。這個著陸地點不僅可以方便獲得該處巖石和表巖屑樣本，而且可以獲得350千米外的哥白尼隕石坑的噴射物。阿波羅12號的部分有效載荷包括地震儀、磁力儀、太陽風譜儀、離子和塵埃探測器，這些儀器都用放射性同位素電池供電。阿波羅12號帶回了“勘測者3號”的一些零件，宇航員還考察了幾個隕石坑，并從不同深度取樣，以便科學家研究月球的地層。

月球上火山噴發(fā)或受到隕星撞擊時，巖石以及巖石粉末等被拋向四周，這些物質再逐漸回落到月面，形成輻射紋。宇航員采集了一些可能是哥白尼隕石坑噴發(fā)出的輻射紋的巖石樣本。這些樣本中有絲狀玻璃和非玄武巖，這為隕石坑形成于8億年前提供了證據。哥白尼隕石坑的年齡的推定和隨后對其他撞擊坑和火山表面的年代測定，為月面年代學奠定了基礎。根據阿波羅號的數據，科學家可以建立單位面積上受到撞擊的大小和頻率與月面年齡之間的關系（參見圖3），這種關系是研究太陽系的其他巖石行星如水星、金星、火星等的隕石撞擊和火山活動的相對年表的基礎。

圖2 阿波羅11號帶回來的表巖屑中的土壤顆粒 (a) 巖石碎片角礫巖、火山玻璃、沖擊玻璃、燒結顆粒、斜長巖顆粒、火山玄武巖碎片。(b) 切割成薄片，用于透射光學顯微鏡研究

阿波羅12號帶回的樣本具有顯著的多樣性。著名的克里普礦物富含鉀、稀土元素和磷，存在于撞擊熔融巖石和稀有花崗巖中。阿波羅12號帶回的幾種玄武巖來自熔巖流的底層序列，與阿波羅11號著陸點發(fā)現的玄武巖大為不同。

阿波羅13號因事故未能登月，繞月返回。

阿波羅14號登月艙“安塔瑞斯”是第一個沒有選擇平坦的火山平原地形上著陸的登月艙。阿波羅14號的著陸地點叫弗拉·毛羅高地。弗拉·毛羅高地的軌道照片分析表明，該處巖石來自于以北600多千米以外雨海撞擊盆地形成的撞擊事件。對角礫巖分析可推定，弗拉·毛羅高地形成于39億年前。從相對地層學上看，雨海是最年輕的撞擊盆地之一，幾乎所有其他盆地都形成于雨海之前。從月殼深處挖掘出的雨海巖石中含有豐富的克里普礦。對著陸點附近的科恩隕石坑（Cone Crater）噴射出的樣本進行年代測定，推知該隕石坑形成于5 000萬年前，這為月面年代學提供了另一個關鍵的數據。

阿波羅15號和16號

阿波羅15號于1971年夏天發(fā)射，是第一次執(zhí)行所謂的J任務登月活動。J任務中包括送上月球一個月球車和在月球表面更長時間（近19小時）的艙外活動。艙外活動期間，宇航員收集了約77千克的樣本，并考察了更復雜的地質情況。獵鷹號登月艙降落在另一處平坦的月海上，緊鄰壯觀的亞平寧山脈，一些山峰高達4 000米，是雨海盆地邊緣的一部分。此次任務的一個關鍵目標是，宇航員要穿越亞平寧山脈之一的哈德利·德爾塔山底部，尋找盆地形成時從月球深處帶上來的古老月殼物質。

最引人注目的發(fā)現之一是一塊綠色的火山碎屑玻璃珠，它是在一個巨大的熔巖噴涌過程中，來自月幔深處的物質迅速上升到地表，在沒有結晶的情況下而形成的。月球車幫助宇航員收集到的最著名樣本是“安全帶石”，這塊巖石有非常多的氣孔，如圖4所示。這塊巖石是指令長大衛(wèi)·斯科特（David Scott）發(fā)現的。斯科特知道宇航員的艙外時間不多了，而且任務控制中心也不允許他停車去撿那塊石頭，于是他以停車系安全帶為借口，停下車來迅速撿起了那塊石頭，那塊石頭因此得名。

斯科特和其他宇航員接受了充分的科學訓練，以有助于尋找可能代表深層月殼物質的粗晶巖石，訓練的成效之一是他們洞察出一塊淺色的粗糙的具有反光面的巖石的重要性，這塊巖石被命名為“起源石”。研究發(fā)現，起源石是斜長巖，是從巖漿洋中浮出來的礦物，因此是月殼的原始樣本。同位素分析證實這塊巖石確實很古老——超過40億年，但是分析也揭示出這塊巖石形成史非常復雜，難以精確推定它的形成時間。收集和記錄巖石的地質環(huán)境，加上宇航員精確的定位和描述，我們得以能夠繪制出精細的地圖和著陸點的剖面圖。

J任務的另一個進展是添加了科學儀器艙?？茖W儀器艙配備有：全景和測繪照相機，進行系統(tǒng)軌道遙感；X射線和伽馬射線光譜儀，用于測定元素組成；激光測高儀，用于確定地貌。阿波羅15、16和17號的科學儀器艙的觀測提供了月球表面的赤道數據范圍，供研究人員用來從“阿波羅區(qū)”的區(qū)域推斷整個月球的狀況。J任務軌道觀測為科學界的服務一直持續(xù)到20世紀90年代，此后，克萊門汀號和月球勘探者號宇宙飛船開始提供全月球遙感服務。

圖3 由月球樣本可測得隕石坑大小-頻率分布，月面年代學建立在對月球樣本的年代測定之上，N(1)指直徑在1千米及以上的隕石坑數目，圖上所示為隕石坑數目隨年代的累積。標有數字的“A” 和 “L” 分別指阿波羅和月球發(fā)射任務。隕石坑大小-頻率分布由軌道拍照圖片得到

阿波羅16號是唯一一次考察遠離月海的月球高地的航天活動。獵戶座登月艙在笛卡爾高地附近的山區(qū)著陸，主要的科學目標是研究凱萊平原的起源。凱萊平原毗鄰笛卡爾高地，在此之前，科學家認為凱萊平原是由富含硅的巖石和火山灰沉積物形成的。根據阿波羅16號帶回的樣本和數據，卻發(fā)現凱萊平原實際上與多山的笛卡爾地層重疊，因此更年輕。從軌道照片中，地質學家推斷笛卡爾地層是300千米外古神酒海盆地的噴出物形成的。

阿波羅16號在南射線隕石坑和北射線隕石坑之間著陸，以便于在兩坑中取樣。宇航員駕駛月球車對兩隕石坑的噴射物進行采樣，以確定它們的年代，同時也為月球年代學提供更多的數據點。研究發(fā)現，相對平坦的凱萊平原是由撞擊產生的沉積物形成的，最有可能是雨海噴射物形成的。與南射線隕石坑和北射線隕石坑噴發(fā)出的巖石相伴的是因撞擊而熔融的碎片和風化角礫巖。后者已巖化，具有重要的意義，因為通過風化角礫巖形成時其中封存的太陽風氣體，可推斷太陽光強度隨時間的變化。

阿波羅帶回的最大樣本是一塊重達12千克的角礫巖，綽號“大穆雷”，以阿波羅16號和17號首席地質學科學家比爾·穆爾伯格（Bill Muehlberger）的名字命名。因微隕石撞擊，這塊巖石朝上的一面坑坑點點。阿波羅計劃的一個重要遺產是超級科學訓練。這種訓練使宇航員能夠直接與任務控制中心的科學家合作，優(yōu)化野外工作。這個特點發(fā)展的頂峰是阿波羅17號加入了一名地質學家宇航員哈里森·施密特（Harrison Schmitt）。

圖4 阿波羅15號和16號收集的巖石樣本：

阿波羅17號

阿波羅17號是阿波羅計劃的收山之作。1972年12月，阿波羅17號降落在美麗的陶拉斯-利特羅谷，這是澄海邊緣一個地質復雜的地區(qū)。陶拉斯-利特羅谷谷底鋪滿玄武巖，四周的山峰有2 500米高，如圖5所示。此次任務目標包括：確定澄海的形成年代、確定玄武巖的形成年代和組成、收集澄海形成過程中涌出的古月殼碎片。

科學家在軌道圖像上發(fā)現了巨大的火山灰沉積區(qū)，他們想要從中取回些樣本。山谷中還有一群次級隕石坑，沿著2 400千米遠的第谷隕石坑的射線排列，相伴還有在南中央脊底部由山崩形成的輕月幔沉積?？茖W家推測，這些隕石坑和月幔沉積物是由第谷隕石坑噴出的物質落在該地區(qū)而形成的。宇航員對輕月幔沉積物進行取樣，以便研究人員確定第谷隕石坑形成的年代，類似于阿波羅12號對哥白尼隕石坑所做的工作。

此外，阿波羅17號上的地質學家宇航員施密特還在矮子隕石坑的邊緣發(fā)現了一層橙色玻璃珠。這種物質也是火山灰，顯示為橙色是因為其鈦含量很高，與阿波羅15號發(fā)現的極低鈦含量的綠色玻璃截然不同。然而，就像阿波羅15號取回的綠色玻璃一樣，橙色玻璃月壤成為阿波羅計劃取得的最重要的樣本之一，成為熱門研究對象，因為它代表了月球內部最原始的樣子，沒有經過結晶過程的干擾。

陶拉斯-利特羅谷的玄武巖形成于37億～38億年前。沖擊熔融角礫巖是從南北中央脊底部的巖石中取樣的，它們的形成年代僅比雨海的角礫巖早幾千萬年。澄海退化得更為嚴重，很明顯，在這段時間內形成了許多撞擊盆地，如鉛同位素分析所暗示：撞擊相當于災難性的轟炸。在輕月幔沉積物和陶拉斯-利特羅谷其他地方收集的9個樣本揭露出，其形成于約1.1億年前，這也是第谷撞擊事件發(fā)生的時間。阿波羅17號的樣本中還發(fā)現了10塊超過40億年的古老月殼巖石。它們繼續(xù)為檢驗有關月球古月殼起源的假說提供依據。

與前幾次不同的是，阿波羅17號進行了一次主動月震實驗，目的是通過接收炸藥爆炸產生的信號來確定月球內部結構。其他的實驗還有：探索月球表面的電性質、確定宇宙射線對生物材料的影響、使用橫向重力儀來繪制出月球內部結構。美國號軌道指令艙攜帶有微波探測儀、紅外輻射計、遠紫外光譜儀、測繪和全景相機和激光高度計。這些儀器提供的軌道數據集是此后20多年來科學家在月球軌道上進行的最后一次直接測量。

月表物理

阿波羅12號、14號、15號和16號部署在月球上的月震儀陣列繼續(xù)向地球傳輸數據，一直持續(xù)到1977年9月的所有儀器關機。月震儀陣列記錄下超過12 000次月震，其中大約7 000次為深月震，深月震與地球引力所產生的潮汐力有關。其他月震為流星撞擊、火箭助推器控制降落等造成的月震以及月殼的受熱和膨脹引起的淺層熱月震。

圖5 阿波羅17號著陸點陶拉斯-利特羅谷。(a) 此圖對應的實景有18千米寬，圖上方位為上西右北，澄海位于右上方。 (b) 宇航員穿越陶拉斯-利特羅谷的軌跡。用數字標記的“S” 和 “L” 分別為取樣地點和月球車停車點

月震數據可提供以下方面的信息：月殼厚度、月震波穿過月殼-月幔邊界時月震速度的變化、月幔深處月震的不連續(xù)性和月震衰減區(qū)。早前估計月殼平均厚度為60千米，但現代分析認為在30千米至40千米之間。

時至今日，激光測距后向反射器依然在工作。測量數據發(fā)現，月球轉動不規(guī)則，表明其核心部分是流體。2011年發(fā)射的重力重建與內部結構實驗室（GRAIL）航天任務證實，月幔深處有一個部分熔融的區(qū)域，并給出了流體外層和固體內核的大小界限。再加上現有的阿波羅月震數據，新的重力測量大大提高了我們對月球內部結構的了解。

樣本保護和利用

阿波羅號取回的樣本在礦物學和化學成分上與地球物質大體相似，但背后的化學過程具有明顯的月球特征。月球巖石是在氧逸度極低的情形下形成的，其所含鐵大多為二價鐵，大多數樣品至少含有少量鐵金屬。鐵鈦氧化物主要存在形式是鈦鐵礦，但也有鈦鐵尖晶石、鎂鐵鈦礦(首先在月球巖石中發(fā)現，并以宇航員阿姆斯特朗、奧爾德林和柯林斯的名字命名為阿姆阿爾柯爾礦石)和靜海石(這是一種新礦物，以它的發(fā)現地靜海命名）。

從玄武巖可一窺月幔和早期分化過程的端倪。玄武巖類型的變化反映了月幔的非均質性，沒有如地球對流的均質過程。由于阿波羅所取的是地面真實樣本，我們可以利用遙感推斷其他地區(qū)的玄武巖類型。阿波羅著陸點收集的表巖屑樣本中都有火山玻璃，其成分多種多樣，二氧化鈦濃度從不到1%到超過16%不等。這些成分反映了月幔的非均質性和晚期巖漿洋過程的非均質性，這些非均質性使月幔內很多區(qū)域鈦含量差異很大。

在阿波羅計劃期間，科學家預見到樣品的價值，并在約翰遜航天中心建立了博物館。他們制定了展覽、處理和分配的協議，所有樣本都專門留出一部分傳給后人，并對其中最稀有和最重要的樣本給予特別保護。

這些協議確保了近40年之后，樣本依然可用新的高靈敏的分析方法來分析火山玻璃、磷酸鹽礦物和熔體夾雜物中的氫氧根和水分子。這些研究表明，與曾經以為的觀點不同，月球形成時伴隨有揮發(fā)物；更確切地說，在巖漿洋和后期的火山階段，月球的揮發(fā)物進行了大量的脫氣。對月球樣本中剩余磁性的精確測量顯示，直到30億到40億年前，月球內部還有流動的金屬核。

研究太陽系的路徑

阿波羅計劃的探索和對月球樣本數十年的研究，為了解地球最近的鄰居奠定了基礎，也為行星科學提供了基石。研究表明，月球非常古老，大約有45億年的歷史，物質組成與地球相似；但由于月球體積小、壓強低、無明顯水蝕變過程，月球物質又具有自身的特點。月球的礦物和巖石中有證據顯示，月球上曾存在巖漿洋，后來分化成月幔和月殼。30億～40億年前，月球內部溫度上升，重新熔化，產生了大量的玄武質火山活動。通過對阿波羅所取樣本和數據的研究，我們得出了月球是早期地球受到巨大撞擊而形成的，這仍然是月球起源的最靠譜假設。阿波羅號的表面樣本讓我們第一次見識到了宇宙射線、高能太陽粒子和從微流星到小行星的大小隕石對月球表面的蝕變。

也許阿波羅計劃最深遠的科學遺產是對我們太陽系的持續(xù)探索。阿波羅取回的樣本提供了晚期重轟炸的第一個證據。所謂晚期重轟炸，是指約于41億年前至38億年前，大量小行星撞擊月球的事件，這些小行星在39億到40億年前達到峰值。早期太陽系軌道動力學模型表明，木星和土星軌道的變化可能破壞了早期小行星和彗星帶的穩(wěn)定性，并導致了發(fā)生自太陽系形成后約5億年的大災難。

阿波羅號的樣本和探索表明：測試這些動力學模型的關鍵是在月球上，等待下一輪的月表探測和樣本收集。