2020年底,中国的月球探测器“嫦娥五号”登陆月球上一块相对年轻的地区,并挖取和钻取了1.731公斤的月球样品。今年7月,第一批科学家们通过申请获得部分样品。3个月后,从这些月壤齑粉中,科学家们已然窥见月球演化的些许玄机。
从小麦面粉颗粒大小的月球玄武岩碎片中,中国的研究者发现,月球上已知最年轻的火山在20.30 ± 0.04亿年前才陷入沉寂,比此前报告的月球其他区域火山在30亿年前已经“死掉”的结果晚了10亿年,也比最年轻的月球陨石(月球遭小行星撞击飞溅落到地球上的岩石,年龄为28-29亿年)晚了8~9亿年。这意味着,至少在20亿年前,月球内部还在进行着演化。
北京时间10月19日下午5点,《自然》(Nature)杂志在线加速发表了中国科学院地质与地球物理研究所等机构的上述发现。
与这一测年论文同时发表的,还有另外两篇论文:一篇测定了月球玄武岩样品的地球化学成分,发现玄武岩的月幔源区(即月幔中岩浆曾经活跃的区域)中克里普组分(KREEP,月球上一种黄褐色玻璃状矿物,富集钾K、磷P和稀土元素REE)较少,得出月幔中不富含放射性生热元素的结论;另一篇则测定了玄武岩样品中熔体包裹体和磷灰石的水含量,得出月幔含水量较少的结论。
中国科学院地质与地球物理研究所的李献华院士说,月球质量小(只有地球的1.2%),人们通常认为月球的热保持能力比较差,散热很快,但他们的研究结果提出了新的可能性:月球的散热不一定那么快。这三篇论文的样品,均来自于名为“风暴洋”(Oceanus Procellarum)的月球北部月海中吕姆克(Mons Rümker)山北部,由中国“嫦娥五号”月球探测器在2020年12月17日带回地球。
这些发现,也是中国国家航天局探月与航天工程中心自2021年7月12日发放第一批月球样品后,又一批发表的研究成果。
美国东部时间10月7日,中国地质科学院地质研究所在《科学》(Science)杂志上发表论文,得出月球玄武岩的凝固时间大约为19.63±0.57亿年。此次新发布的定年结果与上述年龄在误差范围内基本一致,且通过测量更多样品提高了该结果的准确性。
李献华告诉《知识分子》,此前的撞击坑计数统计研究认为,吕姆克山北部的岩浆可能在较晚的年代仍在活动,是因为这个区域表面的放射性生热元素含量高,所以推测该区域有足够能量来维持火山活动。李献华说,虽然过去估计的不那么精准,但这一位置的岩石确实很年轻,这是个值得高兴的事。
其他两项发现,则为解释这一现象提出了新的问题。之前的估计认为,岩浆形成时间晚,一个影响因素是放射性生热元素含量比较多,比如钾、铀和钍。中国科学院地质与地球物理研究所研究员杨蔚和同事的研究显示,风暴洋北部月幔的放射性生热元素并不富集,与阿波罗玄武岩的月幔源区相当。这也就排除了高水含量导致岩浆活动年代晚的猜想。尹庆柱说,这几项工作提出了一些关于月球热演化的有趣问题。
李献华介绍,影响月球散热的因素还有一个,那就是压力,需要做进一步的研究。最近的研究发现,月球表面有十几米厚的月壤层,保温性特别好,像鸭绒被一样。所以月球虽然小,但散热不一定很快。
李献华说,这一工作,对于校准“撞击坑计数法”,以应用于更多天体的研究也有重要意义。月球样品珍贵,实验是个精细活。为了避免地球物质对样品的污染,地质与地球物理研究所专门为月球样品研究建造了一间月球洁净实验室,每立方米直径大于0.5微米的颗粒物控制在几千以内。此外,用于放置样品和实验的手套箱充满了氮气,氧气分压和水分压都很低,避免了污染。
由于月球几乎是真空环境,表层月壤因为多次撞击而细碎,一毫米以上的碎片都很少。一个典型的月球科研样品编号是一串字母和数字的集合,其中开头的“CE5”代表嫦娥五号,中间的“YJ”代表研究,“GP”“YX”和“FM”分别代表三种类型的样品:较大的光片、较小的岩屑和最细碎、直径仅几百微米的粉末。李献华团队申请到的5个科研样品主要是岩屑和粉末样。
第一个挑战,就是从一堆几十微米的岩屑中挑出稍大的几百微米的岩屑片。实验室中间有一个正压的手套箱,压强大于外部,里面充满了氮气,穿着洁净服的研究人员眼睛盯着放大几十倍的双目镜,将手伸入手套洞,手上捏着一根非常细的不锈钢针,慢慢地挑拣。
研究人员共测定了47个样品的年龄,得出结论:在“风暴洋”这片年轻的月海里,玄武岩结晶固结于约20.3亿年前,这一结果的误差值仅有上下四百万年。而10月发表的《科学》论文中,仅通过含锆矿物定年测出的结果是20.11 ± 0.50亿年,与以上结果更为接近。
在“嫦娥五号”带回月壤之前,中国研究者仅有的关于月壤的研究实践,来自于1978年中国接受美国捐赠1克月壤中的一半。
因此,有实际月壤研究经验的人并不多。李献华介绍,目前国内月壤的研究者们,有一些是从事地质学研究的学者,一些是行星科学家,还有一些则来自地球物理、地球化学等领域,大部分也是在“边做边学”。李献华是一名研究同位素的地球化学家,他的团队此前针对地外样品开发了多种高精度的分析技术。月壤研究申请的评审会于6月在北京举行,每个申请人只有大约13分钟的时间阐述研究计划和回答专家提问。
在第一批提交申请的37个队伍中,最后来自13个机构的17个申请人获得了样品,其中包括李献华团队。国际合作是科学发展的必然途径,取长补短并不丢人。合作也是相互的。十年前,他曾与美国华盛顿大学的学者共同研究阿波罗12号带回的月球样品,发布的论文中他是第一作者。