科學家從月壤裏“挖”出了這些寶
有關嫦娥五號月壤樣品的最新研究成果相繼發表
科學家從月壤裏“挖”出了這些寶
◎實習記者 都 芃
發現嫦娥石、找到月壤水……在秋高氣爽的金秋時節，月壤研究也迎來了大豐收，一系列有關嫦娥五號月壤樣品的最新研究成果相繼發表，人們對於距離我們最近的“鄰居”——月球的認知不斷得到刷新。
從2020年12月嫦娥五號返回器攜帶1731克月壤樣品成功返回地面至今，共計有4批50余克月壤樣品被分發至了100多個科研團隊，研究範圍涉及月球地質演化歷史、月球資源分析等。
正是透過這些細微、不起眼的月壤，月球的神秘面紗正在被一點點揭開。
挖掘月球的潛在價值
今年9月9日，國家航太局、國家原子能機構聯合宣佈，來自中核集團核工業北京地質研究院(以下簡稱核地研院)的研究團隊首次在月球上發現新礦物，並命名為“嫦娥石”。“嫦娥石”也是人類發現的第六種月球新礦物，其單晶顆粒的粒徑只有10微米大小，不到一根頭髮絲直徑的1/10。
核地研院月球研究團隊牽頭人李子穎表示，雖然“嫦娥石”所屬的磷酸鹽礦物在地球上很常見，但和“嫦娥石”化學成分一致的，地球岩石中至今還未發現。這也證明了“嫦娥石”形成的環境和條件不同於地球。通過對“嫦娥石”形成條件的研究，可以倒推月球演化過程，對認識月球起源與演化意義重大。此外，“嫦娥石”所含的高含量稀土是否具有開發價值，也值得進一步研究。
不僅是“嫦娥石”，核地研院的研究團隊還首次成功獲得嫦娥五號月壤樣品中氦-3的含量和提取參數。氦-3一直被視為未來重要的清潔聚變資源之一。而月球則是儲存氦-3的天然“倉庫”。核地研院第一批月球樣品使用責任人黃志新介紹，目前的核聚變實驗主要利用氘—氚反應來開展，但這種方式的核聚變會產生中子，具有一定危害性。而以氦-3為原料的聚變過程不會產生有害物質，並且反應釋放的能量更大，堪稱是未來的完美能源。氦-3雖好，但在地球上卻儲量極低。氦-3的主要來源是太陽風，由於受地球磁場和大氣的阻擋，能夠到達地球的氦-3微乎其微。但與地球相反的是，月球由於缺少大氣層保護，常年受太陽風吹拂，月壤中含有大量的氦-3資源，且月壤中的鈦鐵礦對氦-3有較好的儲存作用。種種因素都使得在地球上稀缺的氦-3，在月球上卻儲量驚人。探月工程首任首席科學家、中國科學院院士歐陽自遠曾估算，月壤中的氦-3含量可滿足長達萬年的地球能源需求。黃志新表示，對嫦娥五號月壤樣品中氦-3含量及最佳提取參數的測定，將為中國後續對月球氦-3資源的遙感預測、總量估算、未來開發和經濟評價提供基礎科學數據。
除了存在潛在能源外，“渾身是寶”的月壤或許還有更多用途。今年5月，我國研究團隊在詳細分析嫦娥五號月壤樣品中的元素和礦物結構後發現，月壤中的一些活性化合物具有良好的催化性能。研究團隊以其為催化劑，利用人工光合成技術，借助模擬太陽光，成功將水和二氧化碳轉化為了氧氣、氫氣、甲烷、甲醇。在此基礎上，研究團隊還進一步提出了利用月壤實現地外人工光合成的策略與步驟。該研究主要負責人之一、南京大學教授姚穎方表示，如果將月壤提取成分作為月球上的人工光合成催化劑，未來也許只需要月球上的太陽能、水和月壤，便能產生氧氣和碳氫化合物，實現低能耗和高效能量轉換，為建立適應月球極端環境的原位資源利用系統提供潛在方案。同時姚穎方也指出，目前月壤的催化效率低於地球上可用的催化劑，但研究團隊接下來將對月壤中的有效催化成分進行分離、提煉，力求得到更好的催化效果，並爭取實現地外人工光合成技術在未來航太計劃中的搭載試驗，從而進行真實環境驗證。
探尋月球水的真正成因
水作為生命之源，是人類太空探索中始終繞不開的話題。月球上有水嗎？答案是肯定的。在過去的許多年間，一系列觀測數據都間接地證明了月球上水的存在。但“聽說過沒見過”，除了用望遠鏡或探測器遠遠給月球“相個面”，證實其“命中有水”外，人類還沒有真的從月壤中直接發現水。但就在不久前，中國科學院地球化學研究所的唐紅、李雄耀團隊發表的相關研究結果證實，嫦娥五號月壤樣品礦物表層中存在大量的太陽風成因水，為月球有水再添“實錘”。
水不會憑空產生，那麼月球上的水是從哪來的？關於這一問題，科學界目前主要認為，月球水可能來自月球內部岩漿或外部太陽風，彗星、流星體和微流星體的撞擊。但紅外光譜數據顯示，整個月球表面都有水的分佈，而月球上的水若來自月球內部岩漿或來自外部天體撞擊的話，其在月球表面的分佈將會十分不均，這似乎無法解釋為何水會遍佈月球表面。因此，科學家普遍認為太陽風是月球水的主要來源之一。太陽風中含有帶正電的氫離子，當其不斷轟擊月球表面時，其中的氫離子會與月表物質中的氧原子結合，從而在整個月球表面生成羥基或水分子，這樣便可解釋為何整個月球表面都有水的存在。
此次唐紅、李雄耀團隊的研究便圍繞著月壤中的太陽風成因水展開。研究團隊運用紅外光譜和奈米離子探針對嫦娥五號月壤樣品開展深入分析，其結果顯示嫦娥五號月壤樣品的礦物表層中存在大量的太陽風成因水，估算其水含量至少為170ppm(1ppm為百萬分之一)，這一數值顯著高於月球內部的水含量；並且分析結果還顯示，月壤中水含量的差異主要歸因于測試深度的差異，礦物中的水主要分佈在極表層內，並且其氫同位素比值與太陽風的十分接近，主要以羥基的形式存在。這些證據全部有力證實了，太陽風質子注入就是嫦娥五號採樣地區月壤中水的主要來源。
雖然整個月球表面都有水的存在，但並不意味著月球上每個區域月壤的水含量都相同。一部分的太陽風成因水會在太陽的照射下“蒸發”，還有一部分則會遷移並沉降到溫度極低的兩極永久陰影區，經過漫長的地質活動後形成大量水冰。而此次嫦娥五號月壤樣品的研究結果也顯示，由於月表存在翻騰作用，月壤顆粒暴露在太陽風中的時間不同，導致了礦物中注入的太陽風質子總量不同，進而也會致使不同區域月壤中的太陽風成因水含量不同。通過對嫦娥五號採樣地區月壤成熟度的測定，結合此前遙感探測發現的月表中緯度地區太陽風成因水與月壤成熟度正相關這一現象，研究團隊進一步提出，在與嫦娥五號採樣區有著相似月壤成熟度的月表中緯度地區，其月壤中的太陽風成因水含量應大致相同。而在月壤成熟度更高的如風暴洋西北側高地，其月壤中的水含量可能更高。這一看法不僅為未來月表水資源利用提供了重要依據，也為探索太陽系內其他無大氣天體，如水星、小行星等表層土壤中的太陽風成因水的形成機制和分佈規律提供了重要參考。
此外，嫦娥五號月壤樣品中能夠發現水，很大程度上得益於其採樣地點的獨特。嫦娥五號的月壤樣品採樣地點位於月球最大的月海——風暴洋的東北部，這裡以前從未有人踏足，與以往別國任務的採樣點相距甚遠。而同位素定年結果更是表明，該區域月壤樣品的年齡約為20億年，是目前獲得的最年輕的月壤樣品。更為重要的是，嫦娥五號月壤樣品中的主要組成物質是輝石、斜長石和橄欖石，而這幾種礦物恰恰都是探究太陽風成因水儲量的最佳載體。
推演月球的來龍去脈
作為地球唯一的天然行星，月球地質活動的歷史一直是科學家關注的重點。通過對嫦娥五號月壤樣品的深入研究，許多此前關於月球地質活動模棱兩可的問題，如今有了更為清晰的答案。
中國科學院紫金山天文臺研究員徐偉彪及其行星化學科研團隊聯合南京地質古生物研究所，對月球樣品進行研究後發現，樣品中有極高含量的高鈦玄武岩。研究團隊據此推測，嫦娥五號月球著陸區或曾有多次火山噴發。
徐偉彪表示，在目前所有收集到的月球隕石中基本沒有發現高鈦玄武岩，這是因為鈦鐵礦處於月球淺層，一般分佈在月殼以下、月幔以上的區域，而玄武岩是月球深處月幔物質經高溫熔融產生的岩漿噴發到月表，冷卻後凝固而成的一種岩石。因此在正常情況下，玄武岩中的鈦含量應該很低。徐偉彪進一步解釋說，之所以會出現高鈦玄武岩，可能是由於鈦鐵礦比重較重，造成了月幔上重下輕的重力不穩定結構，鈦鐵礦經過翻轉下沉到深部月幔，經過熔融後，與岩漿一起噴發出來，冷卻後被“封鎖”在了玄武岩中。
研究團隊結合此前在嫦娥五號月壤樣品中已經發現的低鈦、中鈦月海玄武岩大膽推測，嫦娥五號著陸區歷史上至少發生過3次火山噴發活動。徐偉彪認為，這一結論將為研究月球演化提供重要線索，也有望解答月幔源區不同物質成分來源、火山岩漿形成的能量來源和月球晚期火山活動的精細時空分佈規律等多項重要問題。
如果月球上曾經有過如此密集的火山噴發活動，那它們又是在何時停止的？嫦娥五號月壤樣品同樣給出了刷新過去認知的答案。在此之前，美國和蘇聯的月壤樣本，以及地球上的月球隕石研究都表明，月球的岩漿活動至少持續到大約28億到30億年前。
由中國科學院地質與地球物理研究所和國家天文臺主導，多家研究機構團隊聯合對嫦娥五號月壤樣品展開研究。他們利用超高空間解析度鈾—鉛定年技術，對嫦娥五號月壤樣品玄武岩岩屑中50余顆富鈾礦物進行分析，確定其形成年齡約為20.3億年，這意味著月球直到20億年前仍存在岩漿活動，將以往月球樣品限定的岩漿活動停止時間向後推遲了約8億—9億年。
除了岩漿活動，嫦娥五號月壤樣品研究也為我國科研人員“看清”太空風化作用機制提供了重要參考。中國科學院地質與地球物理研究所的研究團隊利用單顆粒樣品操縱、掃描電鏡形貌觀察、聚焦離子束精細加工、透射電鏡結構解析等一系列分析方法，獲得了單個嫦娥五號月壤顆粒表面的硅酸鹽、氧化物、磷酸鹽和硫化物的太空風化作用資訊。通過與來自月球低緯度地區的美國阿波羅計劃月壤樣品的分析結果進行對比，研究人員發現，嫦娥五號月球樣品和阿波羅樣品的表層微觀結構特徵沒有表現出較大的差異。這能夠幫助我們更好地認識月球中緯度的太空風化作用，也為月球遙感光譜校正模型在月球中緯度的適用性提供了支撐。
今年6月，中國地質大學地球科學學院地球化學系教授宗克清和汪在聰與合作者在嫦娥五號月壤化學成分研究方面取得了重要進展：他們在2毫克和4毫克樣品消耗量的條件下，對不同批次的嫦娥五號表取月壤中48種主量和微量元素同時進行了準確測定，並詳細討論了嫦娥五號月壤樣品的均一性、外來物質加入量以及著陸區玄武岩的成因。
研究人員對兩批月壤樣品的7次分析結果揭示嫦娥五號月壤樣品在毫克水準上非常均一，與遙感預測值基本一致。除了極個別元素(鎳)外，嫦娥五號月壤的主量和微量元素含量與其中玄武岩玻璃和岩屑的元素含量高度一致，表明嫦娥五號著陸區所在的風暴洋北部月海區域受到外來高地物質和KREEP(富鉀、稀土和磷的一種月球物質)衝擊後混入的量非常有限。
該研究系統評估了嫦娥五號月壤的化學組成，定量分析了月壤中外來物質的混入量，為認識月球年輕岩漿活動和後期改造過程提供了新的制約。
