嫦娥五号采回的“土特产”,可以用来研究些什么?

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  一转眼,上个月24日才发射的嫦娥五号任务已经满分完成了前往月球-月面采样-月面起飞-月轨对接-返回地球的全套复杂操作。(前情提要:时隔44年,嫦娥五号将为人类再次带回月球样品!

  顺利在月球正面风暴洋东北部的吕姆克山一带采集到了月球样品。

  

  嫦娥五号着陆采样区域(红星处)

  底图:LROC WAC:制图:haibaraemily

    

  着陆区(红星)一带地形图,越红表示越高,越蓝表示越低。该区域内最典型的地貌特征是吕姆克山(Mons Rümker),一个疑似盾状火山的遗迹 

  图片来源:参考文献 [1]

  “四件套”里的返回器接过了最后一棒,带着珍贵的月球“土特产”于1217日凌晨降落在内蒙古四子王旗,人类时隔44年再次迎来月球样品。

  

  内蒙古四子王旗着陆区现场的嫦娥五号返回器(国家航天局

  嫦娥五号设计了两种“挖土”方式:

  钻取:通过钻具钻入月表下2米深,采集0.5公斤月球地下样品

  表取:通过机械臂铲取1.5公斤月球表面样品

  最终,两种方式的采样工作都非常顺利,原计划在48个小时内完成的月面采样仅19个小时就完成了。

  

  嫦娥五号着陆器全景相机拍摄的采样区,可见陷入月壤中的着陆腿底座、月面的表采痕迹、机械臂和采样器、展开的国旗,和太阳能板的一部分

  图片来源:CNSA/CLEP

  至于实际采回了多少样品,等“土特产”落地,我们很快就会知道了。

  这些珍贵的月球“土特产”,除了一部分会用于科普和展示之外,重头戏还是会用于科学研究这些月球“土特产”,可以用来研究些啥呢?

  改进月球定年体系

  月球形成于约45亿年前,但具体在第几亿年里发生了什么事,却不是那么容易搞清楚的。

  对于相对年龄,我们有一些直观而朴素的认知。形成年代越早的区域,累积被撞出的撞击坑就越多,也就是说,一片撞击坑密度更高的区域,往往比撞击坑密度低的区域古老。

  但绝对年龄就难多了,因为这需要把不同区域撞击坑统计的密度与一些已知年龄的区域建立联系,用后者来为前者定标。阿波罗和月球号样品就担当了这样的桥梁作用,对这些样品进行放射性定年,就可以知道采样区表面的绝对年龄,再和这些区域的撞击坑密度一比对,一套覆盖月球45亿年的定年体系就完成了。

  

  (左)通过撞击坑密度可以识别不同区域的相对年龄 | LROC WAC;(右)以阿波罗样品定标,基于撞击坑统计建立的月球45亿年历史 

  图片来源:参考文献[2]

  以这套撞击坑定年体系为工具,我们可以进一步确定月球上那些没有样品和绝对定年的区域年龄。然而,这套定年体系始终是令人疑虑的。用来定标的阿波罗和月球号样品大多来自月球正面中低纬度的月海区域,形成年龄集中在42-32亿年前而在这个范围之外的月球地质事件所对应的时间,全部是以此为锚点外推来的。尤其是30-10亿年前这段漫长的历史,几乎可以说是空白。

  按照目前的撞击坑定年体系估算,嫦娥五号的采样区表面非常年轻,年龄在10亿年出头。如果对嫦娥五号样品的放射性定年结果表明,这里确实就是这个年纪,那就有力地证明了之前的定年体系是可靠的;如果差别很大,则表明之前的定年体系需要作出大幅修正

  

  嫦娥五号采样区一带不同年龄的地质单元, Ga = 10亿年

  图片来源:参考文献[1]

  无论是哪种,都会让我们对月球45亿年的历史有更准确的认识。

  月球晚期火山活动和热历史

  如今的月球,寒冷枯寂,除了时不时被小行星彗星撞一撞之外,几乎没有什么“像样”的地质活动。月球太小了,内部的热量太容易散失了。

  但曾经的月球,也是“热闹”过的。三四十亿年前的月球上,活跃的火山活动喷出了大量的玄武岩,这些岩浆填充了月面低洼的区域,塑造了如今月面上广阔的暗黑色月海。

  

  月球上的暗色区域主要是玄武岩的颜色

  图片来源:LROC

  月球上的火山活动到底持续了多久,这取决于月球内部“炙热”了多久。阿波罗和月球号的样品只体现了40-30亿年前这段时期的火山活动,但通过撞击坑统计估算,月球上的火山活动持续的时期远比这悠长:40亿年前到近期都有

  

  形成于不同时期的月海,不同颜色代表撞击坑统计估算的不同表面年龄

  图片来源:参考文献 [3]

  嫦娥五号的采样区,就是一片极其年轻的玄武岩区域。这里的样品,有望告诉我们月球近期(地质上的“近期”,十几亿年前的那种“近期”)的火山活动是怎样的,月球内部“热”了多久,这颗小球内部在这段无可避免的“失温之路”上可能经历了些什么。

  放射性元素之谜

  对月球稍有观察的盆友们一定能发现,月球上的月海分布得很不均匀,基本上都在正面。这是因为月球的正面地下的岩浆比较多吗?

  这些月海区域原本大多是大型撞击留下的低洼盆地,然后被玄武岩趁低而入,大块大块地填满。所以是因为月球正面的撞击盆地更多更大,有更多低地容纳月海玄武岩吗?

  这些月海聚集的区域也大多对应着月壳比较薄的地方,是因为月球正面的月壳更薄,火山熔岩更容易喷发涌出吗?

  

  GRAIL重力数据估算的月壳厚度,月海盆地所在的区域大多对应于月壳较薄的区域

  图片来源:参考文献 [4]

   然而,还有一个要素是不容忽视的:这些月海聚集的区域,也和月球上一种特殊的岩石单元分布高度吻合,那就是——克里普岩。克里普岩(KREEP)是一类富钾(K)、稀土元素(Rare-Earth Elements)和磷(P)的岩石的统称,这类岩石常伴随着铀、钍等的放射性元素的富集

  

  月球探勘者号的伽马射线谱仪(GRS)获得的钍元素丰度分布图,左边最集中的钍元素富集区就是风暴洋

  图片来源:参考文献 [5]

  许多研究推测,这些能不能都串连起来?会不会是因为月球某些地方有放射性元素富集,所以那些地方特别热,导致地下产生的岩浆更多,月壳也更薄——这些都有利于月海的形成。更热的地方,形成的撞击盆地也会变得更大,这会让原本被撞的时候没什么区别的月球正面最终形成了更多巨大的盆地…

  

  阿波罗15号采回的富克里普岩的玄武岩样品15386,宽2厘米,重7.5克,钍含量高达10-15 ppm

  图片来源:NASA #s S76-24073 and 24072

  风暴洋就是月球上克里普岩和放射性元素最集中的地方,这块区域还有个专门的名字——“风暴洋克里普地体”(Procellarum KREEP Terrane,简称PKT)。着陆在风暴洋东北部的嫦娥五号,就有可能采集到富克里普岩的样品。

  

  月球正面钍含量分布和嫦娥五号着陆区(白框),A代表阿波罗采样点,L代表月球号采样点,其中A121415也位于风暴洋克里普地体范围内

  图片来源:参考文献 [1]

  这些富放射性元素的岩石是怎么形成的?为什么刚好在月球正面富集?它们是风暴洋中晚期火山活动的热量来源吗?……对克里普岩样品的直接研究,有望让我们距离诸多月球之谜的答案更近一步。

  “窥探”月球内部

  月海玄武岩,“前世”是诞生于月球深处的岩浆。尽管经历了再冷却结晶固化的“重塑”,加之月幔物质在上涌的过程中本身也会不断发生演化,所以最终形成的月海玄武岩并不能等同于月幔成分——但这依然是我们了解月球内部化学成分的钥匙

  

  月海玄武岩来自月幔的岩浆上涌。不过图里的月球分层结构只是目前的猜想中的一种

  图片改编自:参考文献[6]

  遥感光谱探测告诉我们,不同时期喷发的玄武岩成分是有差异的,一个常用的指标是铁和钛的含量,但月海玄武岩中铁钛含量的高低和喷发的早晚似乎也没有必然的相关性。那么不同铁钛含量的玄武岩意味着什么吗?是来自月球不同深度的地方?或者是月球内部的岩浆也在经历演化,不同时期喷发的岩浆反应了月球内部不同时期的化学演化产物?或许嫦娥五号的样品可以给出新的线索。

  

  嫦娥五号采样区的年轻玄武岩含有较高的钛和铁含量

  图片来源:参考文献 [1]

  太阳系撞击历史和生命演化

  更年轻的月球样品,不仅可以帮助我们改进月球的“编年史”,还能帮助我们修正整个太阳系的“编年史”。这是因为更古老/年轻的表面就意味着更多/少的小天体撞击,而更多/少的小天体撞击则是太阳系动荡历史的体现。

  月球被撞得多的时期,地球火星也不可能好到哪里去,被撞不分你我,星球们都是命运共同体。

  太阳系经历了怎样的撞击历史?我们知道太阳系早期的撞击非常频繁,火星那么大的天体撞上地球也未必罕见,不过幸运的是,随着撞击体慢慢变少,太阳系也慢慢趋于宁静。或许正是更温和的撞击环境,给了地球生命生息繁衍的机会。

  但这些撞击体的大小和频率是如何随时间减少的,我们一直缺少近30亿年内的可靠证据。十几二十亿年前的地球生命会经历些什么?是一个和如今差不多温和的撞击环境,还是一个频繁被撞的hard模式?嫦娥五号更年轻的样品,有望帮助我们填补这段撞击历史,了解近30亿年里的撞击事件如何影响地球生命,甚至如何影响太阳系中其他星球上可能诞生的生命。

  

  撞击与生命演化

  图片汉化自:LPI [7]

  除了这些,样品可以做的科学研究还有许许多多。例如,表取和钻取的样品对比,可以告诉我们表层和次表层物质有什么区别,空间风化对月球表面物质有什么影响,可以为遥感光谱探测定标;样品磁场的测量,可以告诉我们月球古磁场的强度和样品被磁化的时间,进而约束月核的演化和产生月球磁场的内部“发电机”…

  当然,这些宏大的“月球谜题”,是不可能仅仅通过某一次探测或者对某一次样品的研究就轻易获得答案的。探索未知的道路注定充满曲折,我们唯有通过一次又一次的探索,来越来越接近答案

  怕什么真理无穷,进一寸有一寸的欢喜。

  而实地采样最珍贵之处,在于样品背后孕育的无限可能——那些我们现在还没有想到,但随着对样品的深入研究而不断发现新的研究方向和思路的可能性;那些随着科技的进步和理论知识的更新,一次又一次重新探索和认识这些样品的可能性;那些和过去将来的探测成果结合,擦出意想不到的新火花的可能性。

  五十多年前的阿波罗样品,直到今天还在为行星科学家们带来新的发现和惊喜,相信下一个五十年,更多关于月球的谜雾,会由嫦娥五号和六号的样品照亮

  除了“土特产”,也别忘了它们哦

  除了“挖土”本身,嫦娥五号着陆器还携带了降落相机、全景相机、月壤结构探测仪、月球矿物光谱分析仪等多种科学仪器。

  

  (左)嫦娥五号全景相机正样

  图片来源:中科院;

  (右)嫦娥五号月球矿物光谱分析仪

  图片来源:中科院上海技物所

  虽然这些仪器最重要的使命还是辅助嫦五找到更安全、更有价值的挖土地点,不被坚硬的障碍物磕伤,但这些探测成果传回地球之后,也可以用于分析着陆区一带的月表形貌、矿物成分和浅层地下结构。

  

  12个天线组成的豪华探月雷达阵列(月壤结构探测仪),可以探测着陆区地下2米多深的地层结构

  图片来源:参考文献 [8, 9]

  简而言之呢,就是这些仪器的探测成果,也会有科学产出哦

  嫦娥五号:我可真是个多任务小能手(叉腰)

  参考文献

  [1] Qian, Y. Q., Xiao, L., Zhao, S. Y., Zhao, J. N., Huang, J., Flahaut, J., ... & Wang, G. X. (2018). Geology and scientific significance of the Rümker region in Northern Oceanus Procellarum: China's Chang'E‐5 landing region. Journal of Geophysical Research: Planets, 123(6), 1407-1430.

  [2] Stöffler, D., Ryder, G., Ivanov, B. A., Artemieva, N. A., Cintala, M. J., & Grieve, R. A. (2006). Cratering history and lunar chronology. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 60(1), 519-596.

  [3] Morota, T., Haruyama, J., Ohtake, M., Matsunaga, T., Honda, C., Yokota, Y., ... & Iwasaki, A. (2011). Timing and characteristics of the latest mare eruption on the Moon. Earth and Planetary Science Letters, 302(3-4), 255-266.

  [4] Miljković, K., Wieczorek, M. A., Collins, G. S., Laneuville, M., Neumann, G. A., Melosh, H. J., ... & Zuber, M. T. (2013). Asymmetric distribution of lunar impact basins caused by variations in target properties. Science, 342(6159), 724-726.

  [5] Jolliff, B. L., Gillis, J. J., Haskin, L. A.,Korotev, R. L., & Wieczorek, M. A. (2000). Major lunar crustal terranes: Surface expressions and crust‐mantle origins. Journal of Geophysical Research: Planets, 105(E2), 4197-4216.

  [6] http://minerva.union.edu/hollochk/moon_rocks/background.html

  [7] https://www.lpi.usra.edu/exploration/science/

  [8] 助力嫦娥五号奔月采样返回 中科院承担突破系列关键技术http://www.chinanews.com/gn/2020/11-24/9346347.shtml

  [9] Li, Y., Lu, W., Fang, G., Zhou, B., & Shen, S. (2019). Performance verification of Lunar Regolith Penetrating Array Radar of Chang’E-5 mission. Advances in Space Research, 63(7), 2267-2278.

  [10] Xiao, Y., Su, Y., Dai, S., Feng, J., Xing, S., Ding, C., & Li, C. (2019). Ground experiments of Chang’e-5 lunar regolith penetrating radar. Advances in Space Research, 63(10), 3404-3419.

  [11] Head, J. W. Chang’e 5 Lunar Sample Return Mission: A Brief Background and Summary. 

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