嫦娥五號帶回的月球樣品
引發國內外研究熱潮
2020年12月，中國的嫦娥五號返回器帶回了近2公斤月球樣品，這些月球巖石引爆了中國科學家的研究熱潮，他們正對其開展研究，以揭示月球的進化 歷史 。中國科學院地質與地球物理研究所研究員李獻華此前的主要研究方向是地球上的熔融巖石。但當嫦娥五號將中國第壹批月球巖石帶回地球後，李獻華轉而開始研究這些巖石，而此次這些巖石樣本是自40多年前美國國家航空航天局的阿波羅任務和蘇聯的探月任務以來人類首次帶回的月球樣品。
目前中國很多科學家正對嫦娥五號樣品開展研究，以了解月球的演化歷程。初期研究結果令科學家們興奮不已。在過去6個月裏，他們已經發表了6篇關於嫦娥五號樣品的論文。上周，在美國德克薩斯州休斯頓舉行的月球和行星科學大會上，其中有壹個關於中國探月任務的論壇，科學家們提交了大約十幾項研究成果。
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美國聖母大學土木工程和地質科學教授克利夫·尼爾曾與中國科學家壹起研究嫦娥五號的樣品，他說：“有很多年輕的中國研究人員參與進來，這些月球巖石令人興奮，因為它們是科學家們研究月球巖漿活動不同時期的壹個窗口。”
最年輕的月球巖石
嫦娥五號任務從月球北部風暴洋東北角的玄武巖區域采集了這批約1731克月球樣品。之所以選擇這個地點，部分是因為它可能包含有比蘇聯的月球任務和阿波羅任務探訪的地區更年輕的火山物質。科學家們希望，更年輕的地點能讓他們了解月球開始冷卻但仍有火山活動時的“模樣”。
中國科學院發布的嫦娥五號月球科研樣品最新研究成果證明，嫦娥五號月球樣品為壹類新的月海玄武巖，填補了美國和蘇聯月球采樣任務的“空白”。研究表明，月球直到20億年前仍存在巖漿活動，晚期巖漿活動的月幔源區並不富含放射性生熱元素，而且非常“幹”。多項突破性進展給出了對月球演化的全新認識，對未來的月球探測和研究提出了新的方向，得到國際專家高度評價。
去年7月，中國國家航天局向中國多名科學家分發了首批樣品。他們從85項申請中選出31項科學項目，分發了約17.5克細粒粉末和固體巖石。接下來，又有幾輪申請希望研究月球樣本。第壹批研究團隊確定了月球巖石的年代。去年10月7日，壹個研究小組報告稱，這批玄武巖的年齡為19.6億年（誤差不超過5700萬年）。不到兩周，包括李獻華在內的另壹個研究小組證實了這個日期，估計這批玄武巖的年齡為20億年（誤差不超過400萬年）。這些研究結果證實，月球那時仍處於火山活動狀態，比阿波羅任務取回的巖石顯示的火山活動峰值晚了近10億年。
令人困惑的月球火山
是什麽造成了月球的火山活動？
壹種基於衛星觀測的理論認為，在月幔中發現的能生熱放射性元素，如鉀和釷，可能是引發火山活動的推手。但當IGG的另壹個團隊檢查月球玄武巖時，他們否認了這壹點。科學家們給出的另壹種解釋是：月幔內含有足夠的水，可以降低物質熔化的溫度，使巖漿更容易噴發。但IGG的行星科學家林楊挺及其同事發現，這些月球巖石可能來自相對幹燥的地方。
月球火山活動的熱源問題也讓科學家們困惑不已。對此林楊挺說：“我還沒有找到答案”。中國科學院南京紫金山天文臺研究員徐偉彪說：“這是壹個非常大的科學問題，要弄清楚這壹點，我們需要進壹步了解月球的演化 歷史 ”。徐偉彪收到了兩小塊月球樣品，目前正試圖弄清楚這個問題。
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目前，關於月球火山熱源的理論比比皆是。但徐偉彪表示，將有很多團體試圖解開這個謎團，並獲得更多有關月球的信息。自從嫦娥五號樣本到達地球後，他看到許多研究人員加入了這壹領域。今年，他的實驗室收到了很多希望加入他們研究課題的申請，超出了他們的預期，“以前從未出現過這種情況”。林楊挺希望更多研究人員參與進來。未來十年內，中國計劃開展壹次月球南極樣本返回任務以及另壹次火星樣本返回任務。
月壤的保存環境非常嚴格
嫦娥五號完成月球土壤采集任務成功返回地球，但對於地面應用系統的科學家來說，月球樣品的科學研究工作可以說才剛剛開始。那麽，月球樣品將如何存儲、管理和研究呢？
根據專家介紹：月球樣品實驗室主要由地外樣品存儲室、地外樣品制備室、地外樣品處理與物性分析室等實驗室組成，來自月球的樣品將在這裏存儲、解封以及處理分析。在最新建成的月球樣品實驗室中，第壹個屋子就是用於安全解封的科研裝備。由於月球上是幾乎真空的狀態，和地球上存在很大的壓差，安全解封就成了擺在科研團隊面前的首個難題。
而最大問題就是解封在月表真空環境下封裝的設備。為解決這個難題，科研人員通過技術和驗證，最終設計了壹套方案，在真空條件下獨立進行罐子的解封，解封完之後再把樣品轉移到氮氣環境下進行存儲和處理。科研團隊介紹，由於月球樣品產於高真空高還原的環境，很容易受到地球上氧和水的侵蝕、風化和氧化，因此在氮氣環境下存儲的過程中，還必須嚴格控制水和氧的指標。張廣良說：“我們知道月球土壤樣品是粉末狀的，很容易受到地球物質的汙染，因此對於解封它的外部環境，我們設計為壹個潔凈室的條件，最大限度減少地球顆粒物質對它的汙染。”
根據采樣方式和樣品使用的不同，此次采集回來的樣品會分為鉆取樣品臨時存儲、表取樣品臨時存儲、鉆取樣品永久存儲和表取樣品永久存儲四大類，專家介紹：“根據采樣返回樣品的特點，有鉆取樣和表取樣，因此我們把這兩類樣品分門別類，設計不同的存儲裝置進行存儲，這樣才能夠更妥善地保管樣品。在實際過程中，我們要根據科學研究的實際需求來進行分樣，必須嚴格遵守壹定的操作規程，確保月球樣品在最終分析的時候，樣品量既能適用於科學研究，又不會浪費。”為此，我們在樣品開封過程中，可以多次看到真空手套箱的身影，為安全開封提供可靠地安全環境保護。
手套箱的作用，是將高純惰性氣體充入箱體內，並循環過濾掉其中的水、氧、有機氣體等物質的實驗室設備。也稱真空手套箱、惰性氣體保護箱等。主要功能在於對 O2、H2O、有機氣體的清除。廣泛應用於無水、無氧、無塵的超純環境。最終保證月球土壤的安全保存。
聊完月球巖石
再來聊聊月球上的冰
多年來，科學家壹直認為，月球兩極寒冷的環形山中存在水冰。這對科學研究而言是個好消息，它也是潛在的資源。現在，研究人員發現了為什麽冰在壹個極其幹燥的世界上持續存在的原因——壹些極地隕石坑可能受古代磁場的保護。數百個極地隕石坑處於永久陰影中，這是因為月球對太陽的傾斜度很小，為1.5 ，而地球為23.4 。太陽永遠不會從隕石坑周邊升起，因此將溫度保持在-250攝氏度。在壹些坑中，航天器上的雷達儀器檢測到了水冰的反射特征，這可能是彗星撞擊造成的。
2018年，科學家利用印度“月船1號”月球探測器上的儀器，報告了極地冰分子是如何吸收紅外光的測量結果。這是迄今最確鑿的證據之壹。然而，解釋冰的存在壹直是個挑戰。雖然太陽光不能抵達隕石坑，但太陽風可以。這些帶電粒子可以在被稱為“濺射”的過程中，壹個分子壹個分子地破壞冰。
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對此亞利桑那大學行星科學家Lon Hood和同事現在確認了為什麽冰會壹直存在。近日在休斯頓舉行的月球與行星科學會議上，他們發表了壹項研究，表明月球古代遺留下來的磁異常可能保護著這些隕石坑。自從1971年和1972年阿波羅15號和16號任務以來，研究人員就已經知道了這些異常現象，當時宇航員測量了有異常磁場強度的區域。目前已知壹些異常區域的直徑可達數百公裏。盡管它們的起源仍有爭議，但有壹種可能性是，它們是在40多億年前月球有磁場、富含鐵的小行星撞擊其表面時產生的。由此產生的熔融材料可能已被永久磁化。
人們認為，在月球表面存在數千種異常現象，但Hood利用日本“月亮女神號”月球探測器的數據詳細繪制了南極的異常。他發現至少兩個異常的永久陰影隕石坑——Sverdrup和Shoemaker，而且可能還有更多。盡管殘余磁場僅為地球的數千分之壹，但它們足以偏轉太陽風。
已知異常的隕石坑可能成為科學研究和 探索 的主要目標。美國宇航局已經計劃在明年發射名為“毒蛇”的探測器前往月球南極地區。作為阿爾忒彌斯計劃的壹部分，該機構打算在本十年晚些時候將人類送往那裏。對冰的研究可以揭示它是如何輸送的，這反過來可能會揭示地球是如何獲得水的。
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又是巖石又是冰
離我們那麽近的月球
究竟還藏著多少我們不知道的秘密呢？
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