馮偉民

2003年3月1日，中國(guó)正式啟動(dòng)了第一個(gè)探月工程，按“繞”“落”“回”3個(gè)階段實(shí)施。首先是發(fā)射繞月衛(wèi)星，繼而是發(fā)射無(wú)人探測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)月面軟著陸探測(cè)，最后為運(yùn)輸機(jī)器人上月球建立觀測(cè)點(diǎn)，并且采取樣本返回地球。整個(gè)計(jì)劃將會(huì)歷時(shí)20年。

2021年，我國(guó)將“嫦娥五號(hào)”從月球取回的首批樣品分發(fā)給有關(guān)科研院所。經(jīng)科學(xué)家夜以繼日的研究，已有多項(xiàng)重要成果發(fā)布，引起了國(guó)內(nèi)外科學(xué)界的很大反響，在民間也獲得了廣泛關(guān)注。

月球激發(fā)人類(lèi)飛天之夢(mèng)

人類(lèi)很早就有登月之夢(mèng)，已有數(shù)千年的文字記載。嫦娥奔月、敦煌莫高窟“飛天”圖案等都是古人美麗的傳說(shuō)，承載著人類(lèi)對(duì)廣袤深邃太空的憧憬與向往。中國(guó)明朝人萬(wàn)戶(hù)被西方航天學(xué)界贊譽(yù)為第一個(gè)嘗試用火箭飛天的人，并將月球上一座環(huán)形山命名為“萬(wàn)戶(hù)”，以表紀(jì)念。19世紀(jì)中葉，法國(guó)人凡爾納的小說(shuō)《從地球到月球》幾乎啟發(fā)了所有的現(xiàn)代航天先驅(qū)者，但那時(shí)人類(lèi)對(duì)太空無(wú)限的遐想一直都停留在小說(shuō)層面。進(jìn)入20世紀(jì)，人們觀念中關(guān)于宇宙空間的科學(xué)概念已逐漸形成，為20世紀(jì)中葉以來(lái)人類(lèi)實(shí)現(xiàn)飛天探月夢(mèng)想奠定了科學(xué)和人文基礎(chǔ)。

在人類(lèi)奔向星辰大海的征程中，探測(cè)月球是走向太空的第一站。從20世紀(jì)50年代起，人類(lèi)正式啟動(dòng)了月球探測(cè)之旅。蘇聯(lián)和美國(guó)花費(fèi)巨資，多次向月球發(fā)射探測(cè)器，并成功實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)登月的偉大壯舉。月球是迄今唯一被人類(lèi)涉足的外星球。

探測(cè)月球利益極大

人類(lèi)為何對(duì)月球有如此大的興趣，不惜投入大量人力和巨額財(cái)力去探索，它會(huì)對(duì)人類(lèi)帶來(lái)哪些影響呢？毫無(wú)疑問(wèn)，實(shí)現(xiàn)自古以來(lái)探月飛天之夢(mèng)一直是人類(lèi)夢(mèng)寐以求的理想。同時(shí)，探究月球的形成和月球與地球的關(guān)系、探尋月球礦產(chǎn)資源、建立月球中轉(zhuǎn)站乃至讓月球成為人類(lèi)未來(lái)的生存空間等，正成為科學(xué)家的研究方向和發(fā)展目標(biāo)，也是公眾非常關(guān)心的話(huà)題。

從歷史發(fā)展的角度看，無(wú)論是過(guò)去還是現(xiàn)在，探索太空的神秘現(xiàn)象一直是促進(jìn)人類(lèi)科技不斷發(fā)展的動(dòng)力，各國(guó)先進(jìn)的技術(shù)為探月提供了強(qiáng)大的支撐，因而探月工程成為各國(guó)科學(xué)家合作與競(jìng)爭(zhēng)的新領(lǐng)域。并且，人類(lèi)的太空之夢(mèng)遠(yuǎn)不僅僅是月球。月球作為地球的衛(wèi)星，距離地球最近，兩者相隔38萬(wàn)多千米，無(wú)線(xiàn)電通信幾乎是一瞬間，僅需1～2秒。而地球和火星之間，實(shí)現(xiàn)雙向通信需要1個(gè)小時(shí)的時(shí)間。所以，月球?qū)缪葸B接地球與其他行星的中間站，成為人類(lèi)奔向太空的第一個(gè)落腳點(diǎn)。

科學(xué)探測(cè)發(fā)現(xiàn)，月球具有較低的引力且缺少大氣層，這有利于簡(jiǎn)化軌道器和登陸器登月的操作程序，更容易實(shí)現(xiàn)人類(lèi)的太空任務(wù)。因此，月球是人類(lèi)探測(cè)外太空最具有吸引力的目標(biāo)。

月球具有地球所短缺的一些資源，也是吸引人的一個(gè)重要因素。像氦-3（一種氦同位素）大量存在于月球，但在地球含量很少。它可作為一種潛在的核聚變?nèi)剂稀⒁环N潛在的無(wú)限量和非污染能源。因此，豐富的氦-3是人類(lèi)十分向往的資源。令人鼓舞的是，每一次人類(lèi)對(duì)月球的探測(cè)都帶來(lái)新的發(fā)現(xiàn)。像日本“月之女神（KAGUYA）”探測(cè)器和印度“月船1號(hào)”探測(cè)器就在月球表面發(fā)現(xiàn)新礦物質(zhì)分布，以及探測(cè)潛在的資源區(qū)域。

人類(lèi)對(duì)月球的探測(cè)表明，月球北極和永久陰影區(qū)域中存在水冰和其他有機(jī)化合物。月球隕石坑即使在陽(yáng)光照射下也有自由水的紅外光譜。結(jié)合同位素分析，還可以識(shí)別月球形成后隕石撞擊、太陽(yáng)風(fēng)和地球風(fēng)帶來(lái)的外來(lái)水的影響。如果月球表面的水冰資源充足，可作為支持人類(lèi)未來(lái)移民居住的關(guān)鍵資源。并且，開(kāi)發(fā)這些-250℃環(huán)境中的資源將激勵(lì)人類(lèi)研發(fā)新的科學(xué)技術(shù)。同時(shí)，月球上水冰資源的發(fā)現(xiàn)也極大地鼓舞了人類(lèi)的信心，人類(lèi)將致力改造月球，建立起一個(gè)新的生存環(huán)境，讓這顆星球有可能成為未來(lái)人類(lèi)移居的新家園。

探測(cè)月球?qū)⒏玫亓私獾厍颍兄诮议_(kāi)月球、地球乃至太陽(yáng)系起源之謎。“阿波羅”任務(wù)采集月球巖石樣本返回地球，促使了一種新假說(shuō)的誕生，即月球很可能是諸如一顆火星體積大小的行星與地球發(fā)生碰撞形成的。

中國(guó)正在后來(lái)居上

在探月過(guò)程中，取得月球樣品是探測(cè)中的巨大成果，對(duì)人類(lèi)認(rèn)知月球的歷史和面貌及對(duì)人類(lèi)未來(lái)影響都有重大意義。當(dāng)年美國(guó)尼克松總統(tǒng)訪(fǎng)華時(shí)饋贈(zèng)我國(guó)1克月球樣品，我國(guó)科學(xué)家如獲至寶，做了深度研究，連續(xù)發(fā)表了14篇研究論文，就此開(kāi)啟了我國(guó)探索太陽(yáng)系星辰大海的征程。進(jìn)入新世紀(jì)，我國(guó)探月工程后來(lái)居上，“嫦娥三號(hào)”“嫦娥四號(hào)”的儀器探測(cè)，尤其是“嫦娥五號(hào)”獲取的1731克月壤樣品，為我國(guó)科學(xué)家提供了實(shí)樣，已經(jīng)帶來(lái)了一些全新的月球認(rèn)識(shí)。

中國(guó)科學(xué)家對(duì)月球樣品研究發(fā)現(xiàn)，月球遭受小行星和星際物質(zhì)大規(guī)模撞擊停止后，曾發(fā)生過(guò)多次火山活動(dòng)，月球火山巖漿活動(dòng)一直到20億年前才終止，這改變了傳統(tǒng)的認(rèn)知，比以往月球樣品限定的巖漿活動(dòng)延長(zhǎng)了約8億年，表明月球在20億年前還有火山巖漿活動(dòng)。月球冷卻如此之慢的原因尚不清楚，中國(guó)科學(xué)家表示要解答這一重要命題，需要提出全新的理論框架和演化模型，這無(wú)疑對(duì)未來(lái)的月球探測(cè)和研究提出了新的方向?！版隙鹞逄?hào)”月球樣品玄武巖的精確年代學(xué)數(shù)據(jù)還為月球撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年曲線(xiàn)提供了關(guān)鍵錨點(diǎn)，將大幅提高內(nèi)太陽(yáng)系星體表面的撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年精度。

在過(guò)去的40多億年里，小行星撞擊產(chǎn)生的粉碎、熔融、混合等物理過(guò)程在很大程度上改變了月球表面。在太空風(fēng)化的共同作用下，月球表面形成一層廣泛分布、厚2～15米的月壤。美國(guó)“阿波羅”計(jì)劃采集的樣品表明，這些月壤粒徑大多只有0.1～0.4微米，多數(shù)比我們平時(shí)關(guān)注的PM2.5還要小很多。美國(guó)的月壤樣品采自6個(gè)登月點(diǎn)，蘇聯(lián)的則采自3個(gè)登月點(diǎn)。我國(guó)“嫦娥五號(hào)”選取的采樣點(diǎn)與美國(guó)、蘇聯(lián)都不同，而不同區(qū)域取得的樣品有著不一樣的地質(zhì)背景，可以獲得許多新的知識(shí)和認(rèn)識(shí)。

我國(guó)科學(xué)家在歷次探月中，精確測(cè)定了月球表面的土壤厚度?！版隙鹑?hào)”的“玉兔”號(hào)月球車(chē)搭載了測(cè)月雷達(dá)，其任務(wù)之一是探測(cè)月球土壤的厚度，這是人類(lèi)探月以來(lái)首次在月球表面直接進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)。探測(cè)結(jié)果顯示，“玉兔”號(hào)月球車(chē)軌跡下方的月壤平均厚度為5米左右。

月壤究竟是如何形成的？月球上沒(méi)有水和空氣，白天溫度高達(dá)100多攝氏度，晚上又驟降至-200多攝氏度。月巖的溫度變化如此之大，使月巖熱導(dǎo)率很低，其礦物組成和結(jié)構(gòu)不均一，因熱脹冷縮使月巖發(fā)生崩解，產(chǎn)生巖屑。另外，太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線(xiàn)對(duì)月巖的輻射降低了礦物強(qiáng)度，使晶格變形，也可能間接地促進(jìn)了月壤的形成。此外，隕石碎屑也是月壤的重要組成之一。

2019年1月3日，我國(guó)“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器在月球背面的馮·卡門(mén)撞擊坑成功著陸，對(duì)其中一個(gè)坑進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，獲得關(guān)于月球表面過(guò)程的重要信息，對(duì)月壤的形成過(guò)程有了新認(rèn)識(shí)?？茖W(xué)家認(rèn)為，小行星高速撞擊在厚層月壤上，將月表巖塊砸碎的同時(shí)也可將月壤壓實(shí)，并通過(guò)部分熔融將其膠結(jié)起來(lái)，形成月壤層內(nèi)小隕石坑的壁和底；小隕石坑的壁和底是玻璃膠結(jié)的月壤團(tuán)塊，隨后團(tuán)塊被另一次小行星撞擊并拋射出來(lái)，掉落到現(xiàn)在所處的位置，最后碎裂成“碎塊坑”。月壤就是在這種反復(fù)撞擊、砸細(xì)又重新膠結(jié)成巖的過(guò)程中演化成熟。

月壤顆粒微小，但以小見(jiàn)大，見(jiàn)微知著。月壤剖面記錄太陽(yáng)風(fēng)和宇宙射線(xiàn)的輻射歷史，以及小行星對(duì)月面的撞擊歷史。研究月壤可以了解其物質(zhì)來(lái)源、形成過(guò)程和演化，可以了解這個(gè)星體的物質(zhì)組成。測(cè)出月壤的厚度，就能較準(zhǔn)確估算出月壤的總量及相應(yīng)的資源儲(chǔ)量，這對(duì)未來(lái)開(kāi)發(fā)月球資源具有十分重要的意義。

“嫦娥五號(hào)”采集的月球樣品為一類(lèi)新的月海玄武巖，填補(bǔ)了美國(guó)和蘇聯(lián)月球采樣任務(wù)的空白。研究發(fā)現(xiàn)，月幔源區(qū)的水含量?jī)H為1～5微克/克，表明月幔非?！案伞?。這一發(fā)現(xiàn)也排除了月幔初始熔融時(shí)因水含量高而具有低熔點(diǎn)，導(dǎo)致該區(qū)域巖漿活動(dòng)持續(xù)時(shí)間異常延長(zhǎng)的猜想。“嫦娥五號(hào)”采樣點(diǎn)附近的火山活動(dòng)更為活躍，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)，是研究月球內(nèi)部能量衰竭，以及更加全面了解月球地質(zhì)演化歷史的理想地點(diǎn)。這意味著，針對(duì)“嫦娥五號(hào)”月球樣品的研究將可能獲得與以往不一樣的研究結(jié)果，對(duì)人類(lèi)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)月球具有獨(dú)特的科研價(jià)值，也將會(huì)為預(yù)測(cè)地球的未來(lái)命運(yùn)提供重要的科研資料。

（責(zé)任編輯：吳宇）