嫦娥月背“挖寶”含金量有多高

2024年6月2日，嫦娥六號(hào)在月球背面南極-艾特肯盆地中的預(yù)選著陸點(diǎn)著陸，順利完成月壤與月巖采樣任務(wù)。4日7時(shí)38分，嫦娥六號(hào)上升器攜帶月球樣品自月球背面起飛，并成功進(jìn)入預(yù)定環(huán)月軌道，踏上回家的路。

嫦娥六號(hào)首次月背“挖寶”的壯舉令世界矚目，那么，月背采樣難在哪兒？為何人類執(zhí)著于探索月背？其科研價(jià)值對(duì)未來月球的探索有哪些貢獻(xiàn)？

2024年5月3日，長征五號(hào)遙八運(yùn)載火箭與嫦娥六號(hào)月球探測器組合體發(fā)射升空。

2024年6月4日，國家航天局發(fā)布嫦娥六號(hào)著陸器著陸月球背面拍攝的影像圖。 中國國家航天局

月球的背面有多神秘

月球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)周期完全相同，所以在地球上永遠(yuǎn)只能看到它的正面，看不到背面。這種現(xiàn)象被稱為“潮汐鎖定”，是引力作用下的必然現(xiàn)象，在太陽系的眾多衛(wèi)星中非常普遍。

1959年，蘇聯(lián)的月球3號(hào)探測器首次拍攝到月球背面的影像。1968年，美國的阿波羅8號(hào)繞月飛行時(shí)，3位宇航員成為第一批看到月球背面的人類。直到2019年，中國的嫦娥四號(hào)在月球背面著陸，才終于有探測器抵達(dá)這片神秘的領(lǐng)域。

令科學(xué)家吃驚的是，月球兩面的外觀明顯不同。月球背面入眼皆是單調(diào)乏味的撞擊坑，大家熟悉的月球正面那種明暗有致的浪漫圖案，在月球背面基本不存在。如果直接把月球背面的照片擺到眼前，很多人的第一反應(yīng)估計(jì)以為是水星，不會(huì)想到是月球。

月面上的暗色月海是玄武巖巖漿“澆鑄”出的平原，而明亮的月陸則以斜長巖的山地為主。為什么月海集中在月球正面呢？目前有多種猜想，尚無定論。例如，有假說認(rèn)為是地球潮汐力的作用，使得月球正面的巖漿更易涌向表層；也有假說認(rèn)為，在月球形成早期遭受小天體的無差別轟炸期間（這種轟炸當(dāng)時(shí)在整個(gè)太陽系都很盛行），月球背對(duì)熾熱地球的那一面率先凝結(jié)了較厚的月殼，因此玄武巖噴涌更容易出現(xiàn)在月球正面。也許月球的兩面差異是由多種原因綜合造成的，目前的各種假說都只解釋了部分成因。

在太陽風(fēng)的吹拂下，地球磁層被塑造成拖著長尾的水母形狀。滿月前后，也就是月球正面朝向太陽的期間，月球會(huì)運(yùn)行到長尾里，被地球的磁層罩護(hù)，此時(shí)也會(huì)有從地球大氣逃逸的粒子飄向月球；而在新月前后，月球會(huì)運(yùn)行到磁層“海蜇頭”以外，此時(shí)月球背面朝向太陽，會(huì)遭受太陽風(fēng)的猛烈沖擊。所以，月球正面和背面所處的空間環(huán)境是不同的，水合礦物含量、空間風(fēng)化特征與月塵的電磁學(xué)性質(zhì)等也會(huì)有差異。

實(shí)勘深入認(rèn)知月球

人類想深入認(rèn)識(shí)月球的形成與發(fā)展，就必須要了解月球的正反兩面。過去，科學(xué)家對(duì)月球的探勘與著陸活動(dòng)都集中在月球正面，而中國探月工程對(duì)月球背面進(jìn)行的實(shí)地勘測，在深入認(rèn)知月球的道路上留下了月球背面的第一行履跡。

從對(duì)月球背面的宏觀認(rèn)識(shí)來說，蘇聯(lián)和美國早有收獲。20世紀(jì)60年代，兩國先后發(fā)射繞月探測器，對(duì)背面在內(nèi)的月球表面進(jìn)行過測繪，發(fā)布過全月模型與月球地質(zhì)圖。月球地質(zhì)圖能夠系統(tǒng)提供月殼表面地層、構(gòu)造、巖性和年代等方面的綜合地質(zhì)信息，反映月球巖漿作用、撞擊事件、火山活動(dòng)等演化過程。

自中國探月工程實(shí)施以來，各次嫦娥任務(wù)盡管主要是落在月球正面，卻都在環(huán)月飛行過程中對(duì)月球表面包括背面進(jìn)行過測繪。2022年，中國科學(xué)院以嫦娥一號(hào)到嫦娥四號(hào)任務(wù)獲得的大量科學(xué)探測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并綜合國際上已有的其他月球地質(zhì)資料和研究成果，繪制了世界首幅1∶250萬月球全月地質(zhì)圖，其精度約為此前月球全月地質(zhì)圖的2倍。

中國的全月地質(zhì)圖建立了撞擊坑物質(zhì)、撞擊盆地構(gòu)造、巖石類型和構(gòu)造類型的劃分體系，提出了新的月球地質(zhì)年表，采用“三宙六紀(jì)”的劃分方案，將月面歷史分為冥月宙（巖漿洋紀(jì)）、古月宙（艾肯紀(jì)、酒海紀(jì)和雨海紀(jì)）、新月宙（愛拉托遜紀(jì)和哥白尼紀(jì)）。這三宙分別代表著月球演化過程中以內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段、內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用并重的階段，以及外動(dòng)力地質(zhì)作用為主的階段。說得直白些，它們的劃分依據(jù)側(cè)重于巖漿運(yùn)動(dòng)和外來撞擊的權(quán)重變化。

中國探月工程也收獲了對(duì)月球背面局部的深入認(rèn)知。2019年1月3日，嫦娥四號(hào)懷抱玉兔二號(hào)在月球背面南極-艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門環(huán)形山著陸。根據(jù)探測器搭載的可視-近紅外成像光譜儀的初始觀測結(jié)果，科學(xué)家推斷月面上的低鈣輝石與橄欖石礦物可能起源于月幔，這也是人類首份關(guān)于月球背面幔源物質(zhì)的初步證據(jù)。

根據(jù)嫦娥四號(hào)的測月雷達(dá)和相機(jī)數(shù)據(jù)，科學(xué)家研究建立了嫦娥四號(hào)著陸區(qū)深達(dá)40米范圍內(nèi)的地層剖面及多期次濺射物覆蓋關(guān)系，首次揭開月球背面地下結(jié)構(gòu)的面紗，提高了人類對(duì)月球撞擊與火山活動(dòng)等地質(zhì)演化歷史的理解。嫦娥四號(hào)還對(duì)在月面上建立生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)研。它帶有一個(gè)生物試驗(yàn)載荷罐，內(nèi)有種子、昆蟲卵和酵母菌。在該試驗(yàn)中，載荷罐里的低酚棉種子萌發(fā)并存活了212小時(shí)45分鐘，成為月球上首次長出的地球植物嫩芽。

截至2024年5月，玉兔二號(hào)已在月球背面行駛了1596米，工作情況正常，它是在月面上工作時(shí)間最久的月球車。玉兔二號(hào)通過對(duì)著陸區(qū)的光譜、石塊分布、淺層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得著陸區(qū)形貌和物質(zhì)礦物組成、來源、特性等科學(xué)結(jié)論。它首次通過原位探測直接得到月球深部物質(zhì)組成，揭示月球背面特別是南極-艾特肯盆地復(fù)雜的撞擊歷史，給月壤形成與演化模型提供了關(guān)鍵證據(jù)，成為日后南極著陸和巡視探測選址的重要參考。

與嫦娥四號(hào)一樣，此次嫦娥六號(hào)也著陸于南極-艾特肯盆地。南極-艾特肯盆地是月球上最大、最深、最古老的盆地，它形成于大約42億年前的一次巨大撞擊，撞擊的力度可能直透月殼，深抵月幔。在此地采集到的月壤、月巖樣本，可以獲取到有關(guān)月球演化史以及月球內(nèi)部的信息。說到“古老”，大家可能會(huì)好奇，如何知道某處年代古老呢？有個(gè)相對(duì)簡單的方法就是“數(shù)坑”。古老的月表遭受的撞擊次數(shù)較多，另外，新坑會(huì)疊在老坑上面（反之則不行），根據(jù)坑數(shù)和疊加關(guān)系，就可以判斷各處的地質(zhì)年代。

南極-艾特肯盆地直徑2500公里，所以更明確地說，嫦娥六號(hào)是在“盆中之盆”阿波羅環(huán)形山附近著陸的。這個(gè)環(huán)形山也不小，直徑大約524公里，是非常古老的一座環(huán)形山。它沒有撞擊噴濺的輻射紋系統(tǒng)，部分地表已被黑暗的熔巖掩蓋，上面布滿眾多較小的撞擊坑和幾座被熔巖填塞的小型月海。在南極-艾特肯盆地的地貌中，阿波羅環(huán)形山很有代表性，對(duì)它的實(shí)地考察可進(jìn)一步了解該處的形成和構(gòu)造歷史。

月背采樣將帶回哪些“驚喜”

嫦娥六號(hào)肩負(fù)著人類首次月背采樣的重任，那尋找這些物質(zhì)對(duì)于月球探索有什么意義？月背采樣與月球正面的采樣又有何不同呢？

據(jù)中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所介紹，嫦娥六號(hào)在阿波羅盆地采樣的主要任務(wù)包括尋找新礦物、尋找深部物質(zhì)、尋找古老物質(zhì)、研究蘇長巖、尋找名義含水礦物、尋找高壓礦物等。

新礦物 由于月球的形成歷史和條件與地球差別很大，而且月球本身結(jié)構(gòu)也不均一，所以嫦娥六號(hào)在月背著陸點(diǎn)很可能發(fā)現(xiàn)新的礦物與巖石。

深部物質(zhì) 南極-艾特肯盆地是月球上最大最深的古老撞擊盆地，撞擊力度極大，有些月幔物質(zhì)可能會(huì)翻到表面上來。但是，在月幔物質(zhì)熔化-冷凝的過程中，不同化學(xué)成分的礦物巖石分離，會(huì)變得難以識(shí)別，也有可能被后來的撞擊濺射物掩埋，因此實(shí)地勘測才能得到比遙感數(shù)據(jù)更可靠的真實(shí)樣本。

古老物質(zhì) 前文說過，根據(jù)數(shù)坑法可以大致認(rèn)定月表各處的地質(zhì)年齡。目前所知的南極-艾特肯地區(qū)大約是42億歲，如果獲取巖石樣本，對(duì)可定年的礦物（如鋯石、磷灰石等）進(jìn)行更可靠的同位素測定，就能夠進(jìn)一步修正認(rèn)知。

蘇長巖 根據(jù)遙感數(shù)據(jù)，南極-艾特肯盆地的主要巖石類型是蘇長巖。蘇長巖的成因較多，有可能是深部物質(zhì)，也有可能來自撞擊后的熔融物分離。研究蘇長巖的成因，有助于研究該盆地的演化歷史。

名義含水礦物 當(dāng)月球運(yùn)行到地球磁尾時(shí)，逃逸的地球大氣分子會(huì)飄到月球，月球有可能受其影響形成名義含水礦物，即沒有水分子卻有水合物或羥基結(jié)構(gòu)的分子。理論上說，月球背面不會(huì)像正面那樣“雨露豐沛”，但萬一有所發(fā)現(xiàn)，就會(huì)是很有意義的突破。

高壓礦物 阿波羅環(huán)形山既是撞擊地形，又可能是深部物質(zhì)的暴露區(qū)。撞擊本身意味著高壓，而月幔深部的壓力本身也不小，所以這里具有形成高壓礦物的有利條件。

為了達(dá)到更好的采樣效果，嫦娥六號(hào)采取了表取和鉆取兩種取樣方式。表取就像掃地一樣，把表面月壤扒拉到收集器里，鉆取則需深入月面最深2米處。二者取得的樣本有不同含義：表取的月壤長期暴露，更多地反映了月球背面的空間環(huán)境，月壤中甚至可能含有外來撞擊天體的成分；而鉆取的樣本則反映了月壤的堆疊發(fā)育，有助于認(rèn)識(shí)月球的發(fā)展歷程，所以鉆取獲得的月壤、月巖，其層次結(jié)構(gòu)在封存時(shí)必須保持原樣，不能一股腦兒倒入收集器。有網(wǎng)友提問，表取為什么不用吸塵器？按說這樣取樣更方便，樣本量更大。原因是月球沒有大氣，吸塵器是無法工作的。2020年，美國的奧西里斯王號(hào)探測器在貝努小行星取樣時(shí)，用的辦法是猛吹一口氮?dú)?，把小行星表面的石礫沙塵吹進(jìn)收集器，最終獲得了121.6克的小行星樣本。

有嫦娥五號(hào)的月球正面采樣在前，很多人關(guān)心嫦娥六號(hào)這次能帶回什么“驚喜”？作為嫦娥五號(hào)的備份星，嫦娥六號(hào)在基本設(shè)計(jì)上與嫦娥五號(hào)相同，不同的是它們的著陸地點(diǎn)。嫦娥五號(hào)在月球正面年輕的呂姆克山地區(qū)著陸，為的是研究月球地質(zhì)活動(dòng)的最晚期限。而嫦娥六號(hào)要研究的是月球早期演化歷史，所以，可以期待它帶回的樣本與嫦娥五號(hào)迥然有異。按照以往慣例，月壤、月巖研究是個(gè)細(xì)致的過程，耗時(shí)較久，屆時(shí)“驚喜”自會(huì)揭曉，大家可拭目以待。

嫦娥六號(hào)承前啟后突破關(guān)鍵技術(shù)

其實(shí)，嫦娥六號(hào)屬于中國探月工程的追加計(jì)劃。中國的整個(gè)月球計(jì)劃原本分為“探、登、駐”（探月、登月、駐月基地）的“大三步”，其中“探”又分為“繞、落、回”（繞月飛行、月面著陸、取樣返回）“小三步”。此前，嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)實(shí)現(xiàn)了“繞”，嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)做到了“落”（三號(hào)落正面，四號(hào)落背面），到嫦娥五號(hào)取樣返回時(shí)，探月工程事實(shí)上已經(jīng)完成了“回”。所以，2021年探月工程又追加了一步“勘”，稱為探月工程第四期，嫦娥六號(hào)到嫦娥八號(hào)的目標(biāo)都是對(duì)月球展開包括地形地貌、物質(zhì)構(gòu)成和空間環(huán)境在內(nèi)的綜合勘測與科研活動(dòng)，并驗(yàn)證部分關(guān)鍵技術(shù)，為“登”和“駐”做一些前期探索。

有了這幅更大的圖景，大家就能看明白，為什么嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)將來要奔赴月球南極，又為什么要提前發(fā)射鵲橋二號(hào)中繼通信衛(wèi)星。在地球上“萬物生長靠太陽”，然而在月球上，太陽就讓人愛不起來了。月球的真空環(huán)境保不住液態(tài)水，白晝溫度可達(dá)120℃，大部分地方留不住冰。而有可能存在冰的地方，是在月球兩極環(huán)形山的山窩窩里，科學(xué)家稱之為“永夜坑”，以月球南極居多。所以，倘若能在那里勘到水冰乃至水合礦物的存在，對(duì)于建設(shè)駐月基地十分有利。

在月球南極很難和地球進(jìn)行有效通信，所以中國發(fā)射了鵲橋二號(hào)中繼通信衛(wèi)星，讓它覆蓋月球南半球天空，搭起探測器和地球的通信橋梁。這次嫦娥六號(hào)的月背任務(wù)，就是在鵲橋二號(hào)中繼通信衛(wèi)星的協(xié)助下完成的。

因此，嫦娥六號(hào)在中國探月工程中的作用是承前啟后，它突破了月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)，以及月背智能采樣與起飛上升技術(shù)。中國探月工程也借助嫦娥六號(hào)的契機(jī)，與多個(gè)國家開展了有效的科技合作。比如，嫦娥六號(hào)搭載的著陸載荷有意大利的漫游激光角反射器、法國的氡氣探測儀和歐空局/瑞典的月表負(fù)離子探測儀等。此外，軌道器外部還掛載了巴基斯坦與上海交通大學(xué)合作的一顆立方星，這顆微型衛(wèi)星擔(dān)負(fù)著在月球軌道上拍照與探測月球磁場的任務(wù)。

對(duì)于嫦娥六號(hào)在月球背面的成功著陸，各國航天界也給予了高度關(guān)注。路透社稱，中國第二次登上月球背面，這是其他國家都沒有到達(dá)的地區(qū)。美國《太空新聞》網(wǎng)站稱，此次著陸是將獨(dú)特且科學(xué)價(jià)值極高的月球樣本帶到地球進(jìn)行分析的關(guān)鍵一步。毫無疑問，嫦娥六號(hào)任務(wù)的成功，讓全世界對(duì)中國的航天實(shí)力和科技創(chuàng)新有了全新認(rèn)識(shí)。而對(duì)于中國而言，隨著嫦娥七號(hào)、嫦娥八號(hào)等一系列探月任務(wù)相繼登場，有望在月球樣品返回、月球南極極地探測等領(lǐng)域取得更多重大突破，為人類探索太空做出更大貢獻(xiàn)。

（作者雷淼為中國科普作家協(xié)會(huì)會(huì)員）

來源丨北京日報(bào)