月壤探秘有何重大發現？看科學家如何講述“月球故事”

人民資訊發布時間: 2021-12-08 19:52人民網人民科技官方帳號

「本文來源：北京日報客戶端」

2020年12月17日，內蒙古四子王旗迎來了一位特殊的“客人”：經過近一個月的太空漫遊，嫦娥五號返回器順利著陸。

久別重逢，它給地球帶回了一份厚禮——1731克月球樣品，將揭秘月球、地球甚至太陽系的“鑰匙”交到了科研人員手上。

這是我國首次實現地外天體樣品采集，也是人類44年來再次獲得新的月球樣品。

2020年12月17日晚，在完成必要的地面處理工作後，回收後的嫦娥五號返回器被運回其誕生地——位於北京的中國空間技術研究院，並在這裏進行了開艙，取出樣品容器及搭載物。（和冠欣攝）

拿到樣品後，中國科學院國家天文台、中國科學院地質與地球物理研究所等單位的科研人員日夜奮戰，短時間內獲得了關於月球年齡、火山活動等月球科學的全新認識。今年10月，相關研究成果分別在《國家科學評論》和《自然》雜志上發表。

11天的“解鎖”

2020年12月19日，裝有月球樣品的采樣封裝裝置，由國家航天局局長張克儉交到了中科院院長侯建國手上。作為嫦娥五號任務的地面應用系統，中科院國家天文台成為月球樣品在地球上的第一個“家”。

過去7年裏，國家天文台副研究員、嫦娥五號地面應用系統主任設計師周琴似乎一直在為這一天做著准備。等這一天真正到來了，短暫的興奮過後，周琴感受到的更多是壓力。

要一睹月壤的真容就頗費了一番功夫。

相比月面幾乎無氧和接近真空的環境，地球表面包裹著大氣層，大氣環境中的水分和氧氣對於這份“太空禮物”來說，都是潛在的威脅，一旦接觸，就可能會造成汙染、變質，導致月球樣品科研價值大打折扣。

為此，在嫦娥五號升空時，科研人員為其專門設置了一套采樣封裝系統裝置，將采集到的月壤物質進行自動封裝，確保樣品安然無恙回到地球。看似不大的一個柱狀體，內部卻機關重重：鏟取樣品和鑽取樣品分別置於兩個不同的密封容器內，兩個容器又被共同密封在一個裝置裏——要見到真容，團隊首先要破解這三道門鎖。

“解鎖”環節被安排在了國家天文台月球樣品實驗室裏。該實驗室由科研人員耗時5年打造而成。走進實驗室，細長的走廊兩側密布著一間間不大的屋子，“地外樣品存儲和解封室”是其中一間。房間裏，碩大的透明箱體連接著一個個飽滿的黑色手套，“這是我們的解封操作手套箱，裏面充有高純氮氣，氣壓比正常大氣壓略微高一點，可以避免外部空氣進入到手套箱裏。”周琴介紹，與充氮的艙體相連接的是解封艙，在解封的時候，科研人員要將艙體抽到接近真空的狀態，再利用機械臂將密封裝置打開。

聽上去不難，實際操作卻複雜得多。

“整個過程都要戴著手套操作，加上是第一次使用這套裝置，所以我們心裏其實挺沒底的。”周琴說，設計密封容器的工作人員曾給他們“支招”，“解開卡扣的時候，用力不能太大，也不能太小，要適度。”而這其中的分寸，只能靠自己拿捏。

按捺著一睹真容的迫切心情，科研人員有條不紊、一絲不苟地嘗試著。11天後，細小的顆粒、粉末終於在他們眼前散發出神秘、幽暗的光亮，急切地想要訴說背後凝固的光陰故事。

嫦娥五號月壤樣品。（中國科學院科學傳播局科技攝影聯盟供圖）

然而，工作才剛剛開始。

表征和分樣是第一步。所謂表征，就是為樣品建立一個初步檔案，記錄樣品的重量、顏色、顆粒大小等。而分樣則是要把1700餘克的樣品按照不同的用途進行分裝，這可是個耗時的活兒。樣品很細，在分裝時難免會粘在容器上，為此，團隊精心設計了分選流程，盡量避免重複操作，“顆粒必較”。實驗流程結束，所有的樣品工具要用酒精進行多次沖洗後，再進行蒸發，“有時候看著工具很幹淨了，其實上面還沾著我們肉眼看不到的細小顆粒。”

周琴說，從拿到樣品到分發樣品，中間的幾個月，她和同事一直都沒閑著，就連春節也只歇了一天。好奇心、使命感以及參與到這千載難逢機遇中的榮幸，驅使他們步履不停。

30毫克的勇氣

為月球樣品進行深度體檢、完善檔案是團隊迫在眉睫的工作。然而，如何為樣品“體檢”，卻讓國家天文台研究員、探月工程三期副總設計師兼地面應用系統總設計師李春來猶豫了好幾個月。

李春來解釋，確定樣品的物理信息並不難，很多儀器都可以在無損的條件下，檢測出樣品的密度、表面積、顆粒大小等，難的是化學分析。一般來說，常用的光譜和質譜分析方法，都需要對樣品進行預先處理，損耗一定量的樣品；中子活化的方法雖然不會損耗樣品，但有些重要元素，比如矽、磷等的信息難以獲得。“幾萬人的隊伍花了十幾年的時間，耗費了大量精力進行技術攻關，最終才取回了這些月球樣品，對我們來說，每1毫克都很珍貴，每1毫克都不容浪費。”

更讓李春來為難的是，如果進行X射線熒光光譜分析，通常的技術至少需要600毫克的樣品，這對於他來說簡直是個天文數字。“要消耗600毫克我是堅決不幹的。”

然而，他內心又隱隱有著不甘。

樣品連基礎分析都沒有，後續的研究就是一紙空文。李春來一邊糾結地帶著團隊用中子活化方法做著分析，一邊思考和探索著新的可能性。在聽說新的技術能將光譜分析的樣品量減少至30毫克時，李春來最終下了決心。“這個工作如果我們不來做，其他單位是沒有條件和能力來完成的；這個工作又很重要，為後續的研究搭建了框架。我們得有這個責任和擔當。”

嫦娥五號月球樣品就此有了自己的完整檔案：與美國“阿波羅（Apollo）”和蘇聯“月球（Luna）”號月球探測器取回的月球樣品相比，嫦娥五號月球樣品粒度更細，平均粒度在50微米左右；從礦物學、岩石學和地球化學特征來看，嫦娥五號玄武岩是一類新的岩石類型，呈現出“高鐵低鎂”的特性，這說明樣品形成的時期相對較晚。這一發現與後續對樣品的年齡測定結果相吻合；樣品中某些元素之間的相關性，表明不同結構的玄武岩來自同一次岩漿噴發事件……

有人質疑，一般來說，樣品越多，其實驗結果的代表性才越強，一份樣品的檢測結果如何具有代表性？李春來解釋，一方面，團隊將X射線熒光光譜分析結果與中子活化分析結果進行了交叉比對；另一方面，團隊在樣品的均勻度和選取的隨機性上下足了功夫。

讓人略感欣慰的是，“服役”後的30毫克樣品並沒有消失，只是換了種形態存在，可以繼續用於科研分析。它們被科研人員小心收藏，成為中國月球科研之路的最好見證。

53小時的速度

2021年7月14日15時5分，中科院地質地球所離子探針實驗室的操作台前，所長吳福元、學術委員會主任李獻華領銜的月球樣品研究團隊主要骨幹成員一起緊張地盯著電腦屏幕，激烈的討論過後，現場一片安靜，偌大的房間裏只聽得見呼吸聲。在眾人期盼的目光注視下，儀器第一個測試數據即將完成。實驗室主任李秋立的手心微微攥出了汗。

李秋立和劉宇。（牛偉坤攝）

“20億年！”第一個數據躍然屏上。緊皺的眉頭松開，笑容堆上每個人的臉龐。

“不敢相信這是真的！”

李秋立的自我懷疑不無道理。這個數據意味著嫦娥五號取回的月球樣品年齡只有20億年左右，比之前人類獲得的最年輕樣品還要年輕8億年以上，這將是一個令科學界震驚的數據。團隊成員不敢懈怠，類似的分析接下來又被進行了兩百多次，來反複確認這個結果的准確性。

值得一提的是，得出這一數據，距離他們拿到樣品只有53個小時。

今年7月12日，經過審核，包括中科院地質地球所在內的13家科研機構領取到了經國家天文台分選後的31份樣品，意味著月球樣品科學研究工作正式啟動。

這一天，所裏一向沉穩的馬紅霞也有些激動。作為技術員，她將是所裏最早跟樣品親密接觸的人——在進入儀器進行更加深入的檢測之前，樣品要先經她的手制成標准的樣品靶。

馬紅霞正在工作中。（牛偉坤攝）

從一瓶細如塵埃的樣品中挑出最可能有用的顆粒，這是個考驗耐心的技術活兒。性格平和、說話慢條斯理的馬紅霞似乎就是為這份工作而生，她已經在這個行當裏耕耘了14年。吳福元曾戲謔地說道，“這樣的技術員是所裏的寶貝，國內外很多科研機構遇到分離樣品的難題時，都要找到所裏來借鑒經驗甚至借人。”

馬紅霞此次任務艱巨。

地質地球所此次研究的目標之一是為樣品測出年齡。李秋立解釋，如果將岩漿比喻為星球的血液，那麼月球的血液早已凝固；也就是說，月球在地質意義上已經死亡。但是想要探究“月球上的岩漿活動是何時停止的”，就需要知道月球上最年輕的岩石年齡，以此來確定岩漿最後活動的時間。

要確定一塊岩石的絕對年齡，最精確的方法是放射性同位素定年。經過長時間的檢驗，最好用的是鈾（U）衰變到鉛（Pb）的體系。因此，具有高U含量和非常低初始Pb含量的含鋯礦物是確定年齡的重中之重。

當天下午，一切准備就緒。馬紅霞帶著自己打磨的一粗一細兩把鑷子，靜靜地走進了盛放樣品的超淨實驗室。“顆粒更小，質地也更疏松。”剛上手，馬紅霞就得出了結論，但是她一點兒也不慌，多年累積的經驗讓她的雙手練就了平穩如鏡的能力。她屏息靜氣，速度慢了下來，穩穩地在一堆比面粉還細的樣品中挑選著。“樣品太細了，吹口氣可能就沒了。”她不僅要將這些最可能有用的顆粒規律排放，澆築成標准的樹脂靶，還要拋磨露出每個顆粒的最大面以方便之後的研究。

這些樣品將述說怎樣的月球故事？接下來的研究便交到了其他同事手上。

工欲善其事，必先利其器。

“離子探針超高空間分辨率定年技術”是讓樣品開口說話的關鍵利器。通過改進離子探針分析儀器的關鍵硬件，可以對小到3微米的顆粒進行精准分析，高級工程師劉宇是這背後的技術支撐。“從5微米到3微米，我們花了整整10年時間。”劉宇言語間難掩自豪，“現在的精度在國際上也是最高的。”盡管經過了多次演練，但為了將儀器調整到最佳狀態，劉宇提前10天就開始了准備。

有了這樣的技術儲備，科研人員才能對超小尺寸的樣品“指哪打哪”，對月壤的關鍵部位進行檢測。經過對所有實驗結果的統計分析，團隊給出了嫦娥五號著陸區玄武岩的精准年齡：20.30±0.04億年。也就是說，月球直到20億年前仍存在岩漿活動，比科學家此前認為的岩漿活動停止時間延長了8億年。

這還不是月球故事的全部。

多出來的8億年是怎麼來的？月球的火山活動為什麼能夠持續如此之久？李秋立說，關於月球最晚期岩漿活動的成因，此前科學界存在兩種最被看好的解釋：一種可能是，岩漿的源區中富含放射性元素，為岩漿的產生提供熱源；另一種可能是，岩漿源區中富含水，因此降低了岩石的熔點。

然而，基於地質地球所研發的“超高空間分辨同位素分析技術”和“納米離子探針分析技術”分析發現，這兩種假說都不成立。

既不是放射性元素，也不是水，那麼到底是什麼導致月球壽命的延長？這無疑為全世界科學家指出了新的研究方向。

43年後的回望

對中國科學院院士、嫦娥工程顧問歐陽自遠來說，再一次見到來自月球的禮物，具有特別的意義。

“我感到非常振奮。”在中科院舉行的嫦娥五號月球樣品研究成果發布會上，受邀出席的歐陽自遠激動不已。“這是我們自己取回來的樣品，取得的成果又很有價值，所以我的心情跟當時完全不一樣。”

歐陽自遠口中的“當時”，是一段43年前的往事。

1978年，時任美國總統卡特的安全事務顧問布熱津斯基訪問中國，向中國贈送了1克月球岩石樣品。當時，國內並沒有人從事過月球樣品的研究，“專門研究從天上掉下來的東西”的歐陽自遠成了第一人選。

40多年過去了，歐陽自遠至今記得第一次見到它的樣子：“放在有機玻璃中的樣品看上去有小拇指那麼大，我高興死了，那能做多少事情呀。”

結果，當他砸開有機玻璃，小石頭滾出來，只有一個黃豆粒大小。再一稱重，只有1克。連這1克，歐陽自遠也不舍得全部用完，“0.5克就足夠了，另外0.5克公開展示，讓大家都看一下什麼是‘月亮的石頭’。”

利用這0.5克，歐陽自遠集結來自全國的科研力量，發表了14篇論文，知道了美國人“什麼都沒說”的那些“秘密”，這樣的產出讓美國國家航空航天局（NASA）都感到驚訝。“這個沒啥訣竅，功夫下到了，很容易就搞清楚了。”

然而，在歐陽自遠看來，那次研究更像是一次“應考”；如今，中國人自己取回樣品，向世界展示的是中國科研人員高水平的團結協作。

作為中國人全面主導的原創性工作，該系列成果也得到了國際專家的高度評價。

美國新墨西哥大學月球與行星科學研究所高級研究員查爾斯·席勒、卡內基研究所研究員理查德·加爾森等人認為，該成果“提供了迄今為止從月球上確定的最年輕的玄武岩的證據”，“加深了我們對月球的熱歷史和岩漿歷史的認識”，“對我們認識月球起源和演化具有重要的意義”。

德國拜羅伊特大學教授、國際知名行星科學家奧德蕾·布維爾表示，這些研究結果也為月球年輕岩漿活動的成因提出了新的問題和研究方向。

美國加州大學戴維斯分校教授、國際知名同位素地球化學和宇宙化學家尹慶柱認為，迄今為止，關於月球在30億年前到10億年前之間到底有沒有岩漿活動，火山噴發的數據記錄是一片空白。中國科學家發表的研究成果填補了這項空白。這一重大發現對於太陽系行星表面隕石坑撞擊年齡的絕對標定，以及對於進一步研究月球的熱歷史演化都具有非常重要的意義。

更多的探索還在路上。

李春來透露，兩三年內，嫦娥六號將從月球背面帶回樣品，再次填補國際空白；不遠的將來，我們還會在月球表面建立永久性的科研站，甚至將月球打造成向更遠的深空探索的中轉站。

科學家們正努力把月球的故事講下去……