科技改變生活 · 科技引領未來
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從月壤齏粉中，科學家們已然窺見月球演化的些許玄機|圖源：pixabay.com導讀2020年底，中國的月球探測器“嫦娥五號”登陸月球上一塊相對年輕的地區，并挖取和鉆取了1.731公斤的月球樣品。今年7月，第一批科學家們通過申請獲得部分樣品。
從月壤齏粉中，科學家們已然窺見月球演化的些許玄機 | 圖源：pixabay.com
導 讀
2020年底，中國的月球探測器 “嫦娥五號” 登陸月球上一塊相對年輕的地區，并挖取和鉆取了1.731公斤的月球樣品。
今年7月，第一批科學家們通過申請獲得部分樣品。3個月后，從這些月壤齏粉中，科學家們已然窺見月球演化的些許玄機。
撰文｜王一葦
責編｜陳曉雪
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從小麥面粉顆粒大小的月球玄武巖碎片中，中國的研究者發現，月球上已知最年輕的火山在20.30 ± 0.04億年前才陷入沉寂，比此前報告的月球其他區域火山在30億年前已經“死掉”的結果晚了10億年，也比最年輕的月球隕石（月球遭小行星撞擊飛濺落到地球上的巖石，年齡為28-29億年）晚了8~9億年。這意味著，至少在20億年前，月球內部還在進行著演化。
北京時間10月19日下午5點，《自然》（Nature）雜志在線加速發表了中國科學院地質與地球物理研究所等機構的上述發現 [1]。
與這一測年論文同時發表的，還有另外兩篇論文：一篇測定了月球玄武巖樣品的地球化學成分，發現玄武巖的月幔源區（即月幔中巖漿曾經活躍的區域）中克里普組分（KREEP，月球上一種黃褐色玻璃狀礦物，富集鉀K、磷P和稀土元素REE）較少，得出月幔中不富含放射性生熱元素的結論；另一篇則測定了玄武巖樣品中熔體包裹體和磷灰石的水含量，得出月幔含水量較少的結論。[2,3]
中國科學院地質與地球物理研究所的李獻華院士說，月球質量小（只有地球的1.2%），人們通常認為月球的熱保持能力比較差，散熱很快，但他們的研究結果提出了新的可能性：月球的散熱不一定那么快。李獻華是此項月球樣品研究的主要負責人、測年論文的共同通訊作者。
這三篇論文的樣品，均來自于名為 “風暴洋”（Oceanus Procellarum）的月球北部月海中呂姆克（Mons Rümker）山北部，由中國 “嫦娥五號” 月球探測器在2020年12月17日帶回地球。這些發現，也是中國國家航天局探月與航天工程中心（下稱探月中心）自2021年7月12日發放第一批月球樣品后，又一批發表的研究成果。
美國東部時間10月7日，中國地質科學院地質研究所在《科學》（Science）雜志上發表論文，得出月球玄武巖的凝固時間大約為19.63±0.57億年 [4]。
此次新發布的定年結果與上述年齡在誤差范圍內基本一致，且通過測量更多樣品提高了該結果的準確性。
“兩個研究團隊的結果激動人心且令人印象深刻，” 加州大學戴維斯分校（University of California, Davis）地球與行星科學系教授尹慶柱說，“這是中國科學家取得的重要成果。從獲得樣品開始不到4個月的時間收集數據、解析結果、撰寫論文并在主流科學期刊上發表，代表了研究團隊們巨大的成就和艱巨的努力！非常令人印象深刻！”
01 月球變冷速度比想象中慢，可能的原因是什么？
李獻華告訴《知識分子》，此前的撞擊坑計數統計研究認為，呂姆克山北部的巖漿可能在較晚的年代仍在活動，是因為這個區域表面的放射性生熱元素含量高，所以推測該區域有足夠能量來維持火山活動。
圖1 嫦娥五號及此前登陸探測器采樣點的分布情況，左圖為估算月球表面地形年齡，右圖為釷（放射性生熱元素物質）熱力圖，可以看到嫦娥五號所在地點較為年輕，且放射性生熱元素較高 | 圖源：Lin and Yang, 2021, The Innovation
他們最近發表的研究首先確定，巖石形成較晚的估計是對的。“雖然過去估計的不那么精準，但（這一位置的）巖石確實很年輕，這是個值得高興的事”。
其他兩項發現，則為解釋這一現象提出了新的問題。
之前的估計認為，巖漿形成時間晚，一個影響因素是放射性生熱元素含量比較多，比如鉀、鈾和釷。中國科學院地質與地球物理研究所研究員楊蔚和同事的研究顯示，風暴洋北部月幔的放射性生熱元素并不富集，與阿波羅玄武巖的月幔源區相當 [2]。“說明放射性元素并非導致這里巖漿活動的主要原因。” 李獻華解釋說。
另外，水含量也能影響月幔源區巖石的熔融溫度。以前的假設是，水含量高，會導致巖石由固態熔融為液態的溫度降低，也就是說，在月球變冷的過程中，巖漿凝結需要更長時間。胡森等人的水含量研究發現 [3]，“巖石母體的水含量并不高，大概只有1-5μg.g-1（每克樣品中含1至5微克），跟阿波羅樣品比較明顯是偏低的。” 李獻華說。這也就排除了高水含量導致巖漿活動年代晚的猜想。
尹慶柱說，這幾項工作提出了一些 “關于月球熱演化的有趣問題”。“在這樣的條件下，月球這樣一個小天體如何保持晚期的巖漿活動?” 他說，“我期望看到一系列建模工作，以使行星科學界理解這些數據提供的信息。”
李獻華介紹，影響月球散熱的因素還有一個，那就是壓力，需要做進一步的研究。
“也許我們對月球的熱演化估計有問題，需要重新思考，” 李獻華說，“最近的（其他）研究發現，月球表面有十幾米厚的月壤層，保溫性特別好，像鴨絨被一樣。所以月球雖然小，但散熱不一定很快。”
02 從 “遠觀” 到 “近賞” 的月球研究
尹慶柱說，這批同位素法測年結果，補上了月球研究中“撞擊坑計數法”在10億年到30億年這個時間段的計算缺陷。
在無法取得月壤時，科學家們只能通過 “數坑” 的方式計算月球表面地體的年齡，推算它的演化：由于月球上大氣稀薄，隕石撞擊是常事，而撞擊坑往往保留比較完整。撞擊坑多且層層疊疊的地方，形成年代比較久遠；撞擊坑少的地方則比較年輕。這種方式稱為 “撞擊坑計數法”，也可以用于太陽系的其他行星，如金星和火星。
經過長時間發展，“撞擊坑計數法” 已經成為推算月球演化的重要工具。對30億年以上的地體，它的推測比較準確，但對30億年以下的 “年輕” 地體，不同科學家的推測往往差異巨大，通常誤差在5到10億年之間。
圖2 “撞擊坑計數法”研究領域有一條著名的定年曲線，但這條曲線在10-30億年的位置非常平坦，估計誤差很大。此次的測年結果“錨定”了年代數據，對于“撞擊坑計數法”的精度提高至關重要 | 圖源：Li et al., 2021, Nature
李獻華說，這一工作，對于校準 “撞擊坑計數法”，以應用于更多天體的研究也有重要意義。
03 “挑面粉”
月球樣品珍貴，實驗是個精細活。
為了避免地球物質對樣品的污染，地質與地球物理研究所專門為月球樣品研究建造了一間月球潔凈實驗室，每立方米直徑大于0.5微米的顆粒物控制在幾千以內。此外，用于放置樣品和實驗的手套箱充滿了氮氣，氧氣分壓和水分壓都很低，避免了污染。
由于月球幾乎是真空環境，表層月壤因為多次撞擊而細碎，一毫米以上的碎片都很少。一個典型的月球科研樣品編號是一串字母和數字的集合，其中開頭的 “CE5” 代表嫦娥五號，中間的“YJ”代表研究，“GP” “YX” 和 “FM” 分別代表三種類型的樣品：直徑最大的光片、較小的巖屑和最細碎、直徑僅幾百微米的粉末。
圖3 李獻華申請到的“嫦娥五號”月球樣品 | 圖源：[1]
李獻華團隊申請到的5個科研樣品主要是巖屑和粉末樣。第一個挑戰，就是從一堆幾十微米的巖屑中挑出稍大的幾百微米的巖屑片。普通面粉的顆粒直徑是75微米，而據李獻華介紹，月壤顆粒的平均粒度也就只有幾十微米。
“想想看，要是在一堆‘白面粉’里有幾顆‘黑面粉’，難度非常大。” 李獻華說。
實驗室中間有一個正壓的手套箱，壓強大于外部，里面充滿了氮氣，穿著潔凈服的研究人員眼睛盯著放大幾十倍的雙目鏡，將手伸入手套洞，手上捏著一根非常細的不銹鋼針，慢慢地挑揀。
圖4 論文的作者之一李金華在手套箱旁操作，旁邊是技術人員郭倩和馬紅霞 | 圖源：任輝
挑揀出來的玄武巖巖屑，用環氧樹脂制成樣品靶，拋光后，先用掃描電鏡在巖屑進行圖像分析、識別各種礦物，特別是尋找富鈾的含鋯礦物（如斜鋯石）；然后，將樣品靶鍍一層約20納米厚的金，放入離子探針，用一次氧離子束 “打”到礦物上，“輕輕掃掉”表面上的金，然后測量礦物的鉛同位素組成并計算年齡。
之所以要尋找含鋯礦物，是因為這種礦物形成時富集鈾、但基本不含鉛，因此離子探針測得的鉛基本上是放射成因的，可以獲得可靠的同位素測年結果。
在幾百微米大小的碎片里，含鋯礦物通常只有幾微米的寬度，這時離子探針的分析束斑要非常小，才能準確覆蓋礦物，束斑過大會分析到覆蓋于礦物顆粒間縫隙中可能遺留的微量金（含有極微量的鉛），就有可能計入不屬于樣品的放射成因鉛，影響測年結果。
李獻華團隊使用的離子探針分析束斑直徑小于3微米，是目前最高空間分辨率的高精度離子探針定年技術。
圖5 論文中展示的一份玄武巖樣品，左圖可以看到含鋯礦物處于b點位置；右圖是放大的b點，白色位置為含鋯礦物，測點指向的陰影為離子探針打過之后留下的痕跡 | 圖源：李獻華
研究人員共測定了47個樣品的年齡，得出結論：在 “風暴洋” 這片年輕的月海里，玄武巖結晶固結于約20.3億年前，這一結果的誤差值僅有上下四百萬年。
而10月發表的《科學》論文中，僅通過含鋯礦物定年測出的結果是20.11 ± 0.50億年，與以上結果更為接近。
04 小插曲：國際合作是與非
在 “嫦娥五號” 帶回月壤之前，中國研究者僅有的關于月壤的研究實踐，來自于1978年中國接受美國捐贈1克月壤中的一半。因此，有實際月壤研究經驗的人并不多。
李獻華介紹，目前國內月壤的研究者們，有一些是從事地質學研究的學者，一些是行星科學家，還有一些則來自地球物理、地球化學等領域，大部分也是在 “邊做邊學”。李獻華是一名研究同位素的地球化學家，他的團隊此前針對地外樣品開發了多種高精度的分析技術。
月壤研究申請的評審會于6月在北京舉行，每個申請人只有大約13分鐘的時間闡述研究計劃和回答專家提問。在第一批提交申請的37個隊伍中，最后來自13個機構的17個申請人獲得了樣品，其中包括李獻華團隊。
今年10月7日發表的《科學》文章，是最早發布的 “嫦娥五號” 月球樣品研究。由于論文署名中出現了不少外國專家，有一位還是通訊作者，引起了一些關注。中國科學院地質與地球物理研究所副教授 Ross N Mitchell 認為，通訊作者一般是給項目的領頭科學家的榮譽，而中國地質科學院地質研究所此舉 “too kind”（過于慷慨）[5]。
“所有的科學家都應該知道，科學論文署名的基本原則是什么，是按照貢獻的。”李獻華說。
《知識分子》聯系了《科學》文章的通訊作者、澳大利亞科廷大學教授 Alexander Nemchin。他說，他和項目申請人、中國地質科學院地質研究所研究員劉敦一已認識31年，關于月壤研究的合作早在 “嫦娥五號” 之前就已經開啟。四年前，兩人討論認為可以合作研究月球樣品，由他向NASA申請獲得阿波羅號帶回來的樣品。
而在此次 “嫦娥五號” 樣品的合作研究中，為了論文盡快發表，Nemchin提出由自己起草英文論文稿，最初他將自己的名字放在末位，劉敦一后將他列為通訊作者。
“我覺得提出質疑的人并沒有參與過真正的（國際）合作，” 他說，“對我來說，合作是一種與欣賞的人共同開展感興趣的研究的能力。”
論文另一位通訊作者劉敦一告訴《知識分子》，Nemchin是地質研究所的訪問學者。研究的主要工作在地質所完成，而討論和分析則由中外的團隊成員們在線上開展。Nemchin作為論文起草人，列位通訊作者是為了方便和編輯部溝通。
劉敦一說，國際合作是科學發展的必然途徑，“取長補短”并不丟人。合作也是相互的。十年前，他曾與美國華盛頓大學的學者共同研究阿波羅12號帶回的月球樣品，發布的論文中他是第一作者。
由中國國家航天局制定的《月球樣品管理辦法》規定，國家航天局鼓勵開展基于月球樣品的空間科學國際聯合研究工作，促進成果的國際共享 [6]。據《知識分子》了解，目前公布的月球科研樣品尚未向外國申請人開放，但并未限制中國申請人的團隊中引入外籍專家。
7月，第一批樣品發放時，負責月球樣品管理的探月中心副主任裴照宇在《人民日報》的采訪中說，當時 “還沒有收到國外科研機構提交的正式申請”，但 “國家航天局鼓勵開展月球樣品的國際聯合研究，國外科學家可以通過加入國內科研團隊等方式共同開展樣品研究工作。國家航天局正在會同有關部門制定月球樣品國際合作相關規則，報中央批準后實施。” [7]
小提示
月球樣品信息向公眾開放
讀者們可以訪問探月中心網站獲取具體信息：
https://moon.bao.ac.cn/moonSampleMode/
參考文獻：
[1]Li, QL., Zhou, Q., Liu, Y. et al. Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2
[2]Tian, HC., Wang, H., Chen, Y. et al. Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5
[3]Hu, S., He, H., Ji, J. et al. A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04107-9
[4]Che, Xiaochao, et al. "Age and composition of young basalts on the Moon, measured from samples returned by Chang’e-5." Science (2021): eabl7957.
[5]https://www.chinadaily.com.cn/a/202110/13/WS6166764ca310cdd39bc6ea6a.html
[6]http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-01/18/content_5580772.htm
[7]http://finance.people.com.cn/n1/2021/0713/c1004-32156005.html
馬楠