在美國航空航天局約翰遜航天中心，保存著由“阿波羅”15 號帶回地球的一塊月球巖石，它也是其中最大的一塊，編號 15556。

　　1969 年 7 月 20 日，美國宇航員尼爾·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)和巴茲·奧爾德林(Buzz Aldrin)離開“阿波羅”11 號的登月艙，首次在月球表面留下人類的足跡。在 1969-1972 年間，NASA 成功執(zhí)行 6 次登月任務(wù)，不僅讓人類的活動范圍擴展至地球之外，還為天體領(lǐng)域的研究提供了無盡的寶藏。

　　阿波羅計劃中，宇航員陸續(xù)從月球帶回了大量的巖石樣本，總重達(dá) 382 千克。而在過去的 59 年間，美國陸續(xù)向全世界 145 名來自不同領(lǐng)域的科學(xué)家寄送了月球巖石的樣本。對這些樣本進(jìn)行深入研究后，科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)極具顛覆性，可能會完全改寫月球，甚至太陽系內(nèi)行星的演化史。

　　關(guān)于阿波羅計劃，最激動人心的在于人類第一次將自己的腳印留在了月球上。但在科學(xué)領(lǐng)域，它最大的貢獻(xiàn)在于來自月球的巖石，遠(yuǎn)行的宇航員收集了大量不同的樣品，把它們帶回了地球。采集的樣品共計 382 千克，包括巖石和月壤(在月球表面的一厚層物質(zhì)，由破碎的巖石和塵埃組成)，把這些樣品叫做寶藏一點也不為過。通過在實驗室中研究來自月球的樣品，我們確立了現(xiàn)代行星科學(xué)，這也為認(rèn)識各類行星的地質(zhì)演化過程提供了深刻的洞見。

　　瑞安·齊格勒(Ryan Zeigler)是美國航空航天局(NASA)阿波羅計劃的樣品負(fù)責(zé)人。他表示，在過去 50 年間，NASA 收到了 3190 份研究特殊月球樣品的申請，申請的科學(xué)家超過 500 名，至少來自 15 個國家。他還說，在幾十年里，他們已經(jīng)向外發(fā)放了 50 000 多份特殊的月球樣品，目前有 145 名不同領(lǐng)域的科學(xué)家正在研究 8000 多份月球樣品，這些領(lǐng)域涵蓋了天文學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)和地質(zhì)學(xué)。

　　最重要的是，這些來自月球的巖石徹底改變了我們對三大問題的認(rèn)識：月球表面的性質(zhì)、月球的起源以及太陽系的演化。

　　管理員們將“阿波羅”15 號樣品從不銹鋼存儲柜的氣閘中轉(zhuǎn)出。

　　40 億年不變

　　在將登月艙和宇航員送上月球之前，我們對這顆天然衛(wèi)星的了解主要是基于猜測，因為僅僅停留在地球表面，嚴(yán)重限制了人們對月球的觀察。

　　前人的研究證明，遍布撞擊坑的月球表面應(yīng)該非常古老，因為需要花費數(shù)十億年的時間才有可能形成如此眾多的撞擊坑。當(dāng)我們抵達(dá)月球后，也證實了這一點。隨著月球的巖石樣本被帶回地球，地球化學(xué)家(如果專注研究地外行星的化學(xué)組分特征，則稱為行星化學(xué)家)深入分析了樣本中的同位素組成(同位素會隨著固定時間衰變，科學(xué)家十分清楚這一點)。結(jié)果表明，來自月球的樣品要比大多數(shù)地球上的巖石更古老，年齡在 30 億到 45 億年之間。

　　隨后，行星科學(xué)家建立了一套非常有用的模型，足以影響與月球或其他行星有關(guān)的后繼研究。他們統(tǒng)計了“阿波羅”11 號著陸點附近的撞擊坑數(shù)量，并用這個數(shù)據(jù)匹配對應(yīng)地點的月巖年齡。完成匹配后，模型就能確定撞擊坑在月球表面形成的速率。從“阿波羅”號帶回來的樣品就像是地質(zhì)學(xué)界的羅塞塔石碑，在撞擊坑數(shù)量和月球年齡之間建立了聯(lián)系。現(xiàn)在，科學(xué)家可以不用抵達(dá)現(xiàn)場就能預(yù)估月球(甚至其他行星)上任何位置的年齡。

　　在月球上收集的樣品中，最古老的樣品基本與月球本身的年齡相似，大約為 45 億年。由于地球上存在板塊構(gòu)造，會使地殼不斷循環(huán)，所以地球上大多數(shù)巖石的年齡都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 40 億年，而月球卻不存在板塊構(gòu)造活動。因此我們可以管中窺豹，通過月球看到太陽系早期的古老巖石，甚至是地球早期的巖石。在今年三月的一項研究中，科學(xué)家分析了從“阿波羅”14 號帶回來的角礫巖樣品，發(fā)現(xiàn)其中一塊可能根本就不屬于月球。相反，這可能是第一塊地球隕石，在 40 億年前從地球飛出，意外降落在到了月球表面。經(jīng)過數(shù)十億年后，宇航員艾倫·謝潑德(Alan Shepard)撿起了它，又把它重新帶回了家。

　　月球的起源

　　在阿波羅計劃以前，科學(xué)家對月球的形成過程爭論不休，當(dāng)然，爭論的焦點也包括其他行星的衛(wèi)星是如何形成的。也許是地球捕獲了另一顆靠得太近的星體;也許在形成的初期地球的轉(zhuǎn)速太高，有一小塊被甩了出去，與主體分離;也許地球與月球是同時形成的，都誕生于產(chǎn)生太陽系中所有行星的“原行星盤”(protoplanetary disk)。然而，在阿波羅計劃之后，我們有了完全不同的認(rèn)識。

　　“阿波羅”15 號帶回的樣品 15415，被稱作“起源石”，它幫助科學(xué)家們提出了關(guān)于月球起源的重要理論。

　　目前，在描述月球起源的理論中，最受歡迎的一種被稱為大碰撞假說。這種假說基于阿波羅計劃期間收集到的證據(jù)，認(rèn)為大約在 45 億年前，一顆與火星差不多大的行星體撞擊了地球，導(dǎo)致自身碎裂并使部分地殼和地幔被噴射到太空中。這顆假想中的行星被稱為“忒伊亞”(Theia)。最終，被噴射的物質(zhì)和忒伊亞的殘余物混合在一起，聚合成了一顆星體，在冷卻后形成了今天的月球。

　　除了大量來自“阿波羅”號巖石樣品的證據(jù)以外，還有很多月表試驗也支持這種猜想。具體包括：

　　鐵：月球缺鐵的現(xiàn)象非常嚴(yán)重。當(dāng)時阿波羅計劃曾在月表部署過行星物理試驗。結(jié)果表明，與其他類地行星相比，月球的內(nèi)核體積非常小，僅占總半徑的 25%。這也暗示了月球內(nèi)核缺少鐵質(zhì)。或許，在大碰撞發(fā)生時地球已經(jīng)形成了鐵質(zhì)的內(nèi)核，僅給月球留下了很少量的鐵。

　　干燥：來自月球的樣品非常干燥，幾乎所有揮發(fā)分都被剔除掉了。揮發(fā)分是指易于揮發(fā)的低沸點元素或分子，比如水、二氧化碳、氮和氫。為了解釋這種現(xiàn)象，有科學(xué)家認(rèn)為是大碰撞時產(chǎn)生了巨大的能量和熱量，將月球上的揮發(fā)分帶走了。

　　巖漿洋：來自月球的樣品讓科學(xué)家提出了大量具有影響力的假說，巖漿洋假說就是其中之一，這個假說認(rèn)為月球早期曾被巖漿海洋覆蓋。“阿波羅”11 號樣品表明，月球高地(表面明亮的高地勢地區(qū)，相對于表面黑暗并且向下沉的月海地區(qū))含有大量斜長石礦物，可能形成于一片大型的巖石熔融體。因為在熔融體冷卻的過程中，斜長石較輕，能夠漂浮在頂部。月表探測器還在其他地區(qū)發(fā)現(xiàn)了這類巖石，因此這類巖石可能在月球高地非常普遍。這或許說明，當(dāng)時的巖漿層覆蓋了月球表面的大部分區(qū)域，甚至有可能完全覆蓋。

　　不過，一種新證據(jù)的出現(xiàn)使大碰撞假說變得更復(fù)雜了，這種證據(jù)同樣來自“阿波羅”號采集的樣品，它表明月球上多種同位素的組分十分特別。在 2001 和 2012 年，研究者使用了一種叫做“激光氟化”(laser fluorination)的方法，發(fā)現(xiàn)鈦和氧的同位素組分在地球和月球中幾乎是相同的。假如月球只是忒伊亞和地球的混合物，它為什么擁有和地球相同的同位素組成?新的證據(jù)激發(fā)了新的想法，行星科學(xué)家西蒙·洛克(Simon Lock)和莎拉·斯圖爾特(Sarah Stewart)就在本期的另一篇文章《月球起源：在巖石蒸汽中重生》中講述了他們提出的“合星”模型。

　　顛覆太陽系

　　研究月球得出的結(jié)論同樣也可以引申到其他行星體。其中最重要的也許是關(guān)于太陽系演變的尼斯模型(在法國尼斯提出，因此得名)。根據(jù)這個模型，太陽系外側(cè)的巨行星在形成初期原本十分靠近彼此。幾億年后，它們的軌道變得很不穩(wěn)定，以至于土星、天王星和海王星迅速向外擴散，遷移到了現(xiàn)在的軌道位置。它們離太陽的距離也變得更遠(yuǎn)了。巨大的行星在遷移到現(xiàn)在的位置后，變得更靠近太陽系外側(cè)的柯伊伯帶，于是它們把這片區(qū)域的物質(zhì)向內(nèi)拉，使隕石與太陽系內(nèi)的行星和衛(wèi)星發(fā)生撞擊，并在整個太陽系中引發(fā)混亂。

　　這個模型聽起來可能有些牽強，但它優(yōu)雅地解釋了一系列我們在宇宙中觀察到的現(xiàn)象。例如，通過給“阿波羅”號的樣品定年、分析撞擊坑的細(xì)節(jié)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一系列重要的現(xiàn)象。在月球形成 7 億年時，太陽系內(nèi)行星被隕石撞擊的災(zāi)難性事件抵達(dá)了巔峰，這次事件也被稱為“后期重轟炸”(late heavy bombardment)。最初，科學(xué)家無法找到簡單的解釋，很難說明為什么撞擊會在這一時期迎來高峰。尼斯模型卻能解決這個問題，它預(yù)測的混亂撞擊期恰好就發(fā)生在這個時期。

　　除了告訴我們太陽系的演化史，來自月球的樣品還可以幫助科學(xué)家研究行星表面的化學(xué)變化。“太空風(fēng)化”(Space weathering)是指在沒有大氣層的情況下，天體經(jīng)歷物理和化學(xué)風(fēng)化的過程。仔細(xì)分析來自阿波羅計劃的月壤樣品后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月壤是由膠結(jié)物(agglutinates)、熔融玻璃以及微型顆粒沖擊形成的礦物碎屑組成的。隨著時間推移，膠結(jié)物可以占成熟月壤成分的 60% 到 70%。有一種微型金屬鐵球也是太空風(fēng)化的產(chǎn)物，被稱為納米鐵。它可以聚集在月壤的外層，使表面變得暗淡。現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道有很多因素可以造成太空風(fēng)化，其中包括太陽輻射、溫度的巨幅波動，以及微型隕石的不斷轟擊。

　　留給未來的樣品

　　現(xiàn)在，月球研究又迎來了激動人心的時刻。就在今年，美國儲藏的所有月球樣品都將公開，其中一些樣品自 50 年前被采集回來后就一直沒有啟封過。當(dāng)年，阿波羅計劃艱難地帶回了從月球采集到的巖石樣本，NASA 特意決定留下一部分保持密封，等待科學(xué)技術(shù)超越阿波羅時代后再進(jìn)一步研究。

　　今年三月，阿波羅新一代樣品分析項目(ANGSA)選出了 9 個研究小組，并給他們分配了來自“阿波羅”15 號、16 號和 17 號采集到的樣品，此前這些樣品一直處于真空密封的狀態(tài)。研究“新”的月球樣品或許是一次全新的機遇，讓我們有機會發(fā)現(xiàn)更加根本理論，進(jìn)一步認(rèn)識地球這顆天然衛(wèi)星的形成和演變。

　　在“阿波羅”15、16 和 17 任務(wù)期間收集的 5 塊個樣品。

　　盡管目前我們已經(jīng)從阿波羅號帶回的樣品和月表試驗中獲取了很多信息，但新開封的樣品仍然會為我們提供難得的信息，當(dāng)然，我們也迫切地需要更多的樣品。例如，我們還沒有來自月球遠(yuǎn)端、極地區(qū)域，或者月球深部的樣品。我個人有兩塊樣品特別想要，一塊是來自月球南極艾肯盆地的樣品，另一塊則是極地隕石坑中的冰塊。南極艾肯盆地是月球上公認(rèn)的最大撞擊盆地，也是太陽系中最大的撞擊盆地之一，盆地內(nèi)部可能包含來自下月殼甚至月幔的物質(zhì)。研究南極艾肯盆地有助于我們認(rèn)識這類巨型的盆地，并理解它們是如何影響行星體的表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。如果未來能將極地的冰塊樣品帶回地球，不僅可以告訴我們這些水的來源和年齡，或許還能讓我們弄清地球上的水是從哪里來的。

　　無論是通過載人飛行還是機器人，都有可能在未來實現(xiàn)這份關(guān)于月球樣品的愿望清單。至于哪種方案更好，行星科學(xué)家還沒有達(dá)成共識。具體來說，部分科學(xué)家認(rèn)為機器人比載人任務(wù)更便宜、更安全，也更有可持續(xù)性。而另一方則認(rèn)為，人類比機器人聰明，能挑選出更多種類、更具地質(zhì)學(xué)意義的樣品，阿波羅計劃帶回的樣品就很好地證明了這一點。

　　阿波羅計劃代表了一項獨特的成就，從根本上改變了我們對太陽系的看法。在慶祝人類實現(xiàn)這項偉大的飛躍 50 周年之際，我們也要意識到，從 1972 年 12 月 14 日執(zhí)行完阿波羅 17 號的任務(wù)以來，就再也沒有人踏上另一顆行星了。作為一名深受這項使命啟發(fā)的科學(xué)家，我希望努力地創(chuàng)造出屬于我們這一代人的阿波羅時刻：看到人類再次登上月球，利用聰明才智、持之以恒的信念以及好奇心，探索一切未知。
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