阿波罗计划带回的382千克样本,让科学家发现了什么

2019-07-20| 发布者: 小燕子| 查看: 88

在美国航空航天局约翰逊航天中心,保存着由“阿波罗”15号带回地球的一块月球岩石,它也是其中最大的一块,编号15556

  1969年7月20日,美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)和巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)离开“阿波罗”11号的登月舱,首次在月球表面留下人类的足迹。在1969-1972年间,NASA成功执行6次登月任务,不仅让人类的活动范围扩展至地球之外,还为天体领域的研究提供了无尽的宝藏。

  阿波罗计划中,宇航员陆续从月球带回了大量的岩石样本,总重达382千克。而在过去的59年间,美国陆续向全世界145名来自不同领域的科学家寄送了月球岩石的样本。对这些样本进行深入研究后,科学家的发现极具颠覆性,可能会完全改写月球,甚至太阳系内行星的演化史。

  来源 | 环球科学

  撰文 | 埃里克·贾文(Erica Jawin)

  翻译 | 彭昊 范焱

  审校 | 李世杰

  关于阿波罗计划,最激动人心的在于人类第一次将自己的脚印留在了月球上。但在科学领域,它最大的贡献在于来自月球的岩石,远行的宇航员收集了大量不同的样品,把它们带回了地球。采集的样品共计382千克,包括岩石和月壤(在月球表面的一厚层物质,由破碎的岩石和尘埃组成),把这些样品叫做宝藏一点也不为过。通过在实验室中研究来自月球的样品,我们确立了现代行星科学,这也为认识各类行星的地质演化过程提供了深刻的洞见。

  瑞安·齐格勒(Ryan Zeigler)是美国航空航天局(NASA)阿波罗计划的样品负责人。他表示,在过去50年间,NASA收到了3190份研究特殊月球样品的申请,申请的科学家超过500名,至少来自15个国家。他还说,在几十年里,他们已经向外发放了50 000多份特殊的月球样品,目前有145名不同领域的科学家正在研究8000多份月球样品,这些领域涵盖了天文学、生物学、化学、工程学、材料科学、医学和地质学。

  最重要的是,这些来自月球的岩石彻底改变了我们对三大问题的认识:月球表面的性质、月球的起源以及太阳系的演化。

管理员们将“阿波罗”15号样品从不锈钢存储柜的气闸中转出

  40亿年不变

  在将登月舱和宇航员送上月球之前,我们对这颗天然卫星的了解主要是基于猜测,因为仅仅停留在地球表面,严重限制了人们对月球的观察。

  前人的研究证明,遍布撞击坑的月球表面应该非常古老,因为需要花费数十亿年的时间才有可能形成如此众多的撞击坑。当我们抵达月球后,也证实了这一点。随着月球的岩石样本被带回地球,地球化学家(如果专注研究地外行星的化学组分特征,则称为行星化学家)深入分析了样本中的同位素组成(同位素会随着固定时间衰变,科学家十分清楚这一点)。结果表明,来自月球的样品要比大多数地球上的岩石更古老,年龄在30亿到45亿年之间。

  随后,行星科学家建立了一套非常有用的模型,足以影响与月球或其他行星有关的后继研究。他们统计了“阿波罗”11号着陆点附近的撞击坑数量,并用这个数据匹配对应地点的月岩年龄。完成匹配后,模型就能确定撞击坑在月球表面形成的速率。从“阿波罗”号带回来的样品就像是地质学界的罗塞塔石碑,在撞击坑数量和月球年龄之间建立了联系。现在,科学家可以不用抵达现场就能预估月球(甚至其他行星)上任何位置的年龄。

  在月球上收集的样品中,最古老的样品基本与月球本身的年龄相似,大约为45亿年。由于地球上存在板块构造,会使地壳不断循环,所以地球上大多数岩石的年龄都远远小于40亿年,而月球却不存在板块构造活动。因此我们可以管中窥豹,通过月球看到太阳系早期的古老岩石,甚至是地球早期的岩石。在今年三月的一项研究中,科学家分析了从“阿波罗”14号带回来的角砾岩样品,发现其中一块可能根本就不属于月球。相反,这可能是第一块地球陨石,在40亿年前从地球飞出,意外降落在到了月球表面。经过数十亿年后,宇航员艾伦·谢泼德(Alan Shepard)捡起了它,又把它重新带回了家。

  月球的起源

  在阿波罗计划以前,科学家对月球的形成过程争论不休,当然,争论的焦点也包括其他行星的卫星是如何形成的。也许是地球捕获了另一颗靠得太近的星体;也许在形成的初期地球的转速太高,有一小块被甩了出去,与主体分离;也许地球与月球是同时形成的,都诞生于产生太阳系中所有行星的“原行星盘”(protoplanetary disk)。然而,在阿波罗计划之后,我们有了完全不同的认识。

“阿波罗”15号带回的样品15415,被称作“起源石”,它帮助科学家们提出了关于月球起源的重要理论

  目前,在描述月球起源的理论中,最受欢迎的一种被称为大碰撞假说。这种假说基于阿波罗计划期间收集到的证据,认为大约在45亿年前,一颗与火星差不多大的行星体撞击了地球,导致自身碎裂并使部分地壳和地幔被喷射到太空中。这颗假想中的行星被称为“忒伊亚”(Theia)。最终,被喷射的物质和忒伊亚的残余物混合在一起,聚合成了一颗星体,在冷却后形成了今天的月球。

  除了大量来自“阿波罗”号岩石样品的证据以外,还有很多月表试验也支持这种猜想。具体包括:

  铁:月球缺铁的现象非常严重。当时阿波罗计划曾在月表部署过行星物理试验。结果表明,与其他类地行星相比,月球的内核体积非常小,仅占总半径的25%。这也暗示了月球内核缺少铁质。或许,在大碰撞发生时地球已经形成了铁质的内核,仅给月球留下了很少量的铁。

  干燥:来自月球的样品非常干燥,几乎所有挥发分都被剔除掉了。挥发分是指易于挥发的低沸点元素或分子,比如水、二氧化碳、氮和氢。为了解释这种现象,有科学家认为是大碰撞时产生了巨大的能量和热量,将月球上的挥发分带走了。

  岩浆洋:来自月球的样品让科学家提出了大量具有影响力的假说,岩浆洋假说就是其中之一,这个假说认为月球早期曾被岩浆海洋覆盖。“阿波罗”11号样品表明,月球高地(表面明亮的高地势地区,相对于表面黑暗并且向下沉的月海地区)含有大量斜长石矿物,可能形成于一片大型的岩石熔融体。因为在熔融体冷却的过程中,斜长石较轻,能够漂浮在顶部。月表探测器还在其他地区发现了这类岩石,因此这类岩石可能在月球高地非常普遍。这或许说明,当时的岩浆层覆盖了月球表面的大部分区域,甚至有可能完全覆盖。

  不过,一种新证据的出现使大碰撞假说变得更复杂了,这种证据同样来自“阿波罗”号采集的样品,它表明月球上多种同位素的组分十分特别。在2001和2012年,研究者使用了一种叫做“激光氟化”(laser fluorination)的方法,发现钛和氧的同位素组分在地球和月球中几乎是相同的。假如月球只是忒伊亚和地球的混合物,它为什么拥有和地球相同的同位素组成?新的证据激发了新的想法,行星科学家西蒙·洛克(Simon Lock)和莎拉·斯图尔特(Sarah Stewart)就在本期的另一篇文章《月球起源:在岩石蒸汽中重生》中讲述了他们提出的“合星”模型。

  颠覆太阳系

  研究月球得出的结论同样也可以引申到其他行星体。其中最重要的也许是关于太阳系演变的尼斯模型(在法国尼斯提出,因此得名)。根据这个模型,太阳系外侧的巨行星在形成初期原本十分靠近彼此。几亿年后,它们的轨道变得很不稳定,以至于土星、天王星和海王星迅速向外扩散,迁移到了现在的轨道位置。它们离太阳的距离也变得更远了。巨大的行星在迁移到现在的位置后,变得更靠近太阳系外侧的柯伊伯带,于是它们把这片区域的物质向内拉,使陨石与太阳系内的行星和卫星发生撞击,并在整个太阳系中引发混乱。

  这个模型听起来可能有些牵强,但它优雅地解释了一系列我们在宇宙中观察到的现象。例如,通过给“阿波罗”号的样品定年、分析撞击坑的细节,科学家发现了一系列重要的现象。在月球形成7亿年时,太阳系内行星被陨石撞击的灾难性事件抵达了巅峰,这次事件也被称为“后期重轰炸”(late heavy bombardment)。最初,科学家无法找到简单的解释,很难说明为什么撞击会在这一时期迎来高峰。尼斯模型却能解决这个问题,它预测的混乱撞击期恰好就发生在这个时期。

  除了告诉我们太阳系的演化史,来自月球的样品还可以帮助科学家研究行星表面的化学变化。“太空风化”(Space weathering)是指在没有大气层的情况下,天体经历物理和化学风化的过程。仔细分析来自阿波罗计划的月壤样品后,科学家发现月壤是由胶结物(agglutinates)、熔融玻璃以及微型颗粒冲击形成的矿物碎屑组成的。随着时间推移,胶结物可以占成熟月壤成分的60%到70%。有一种微型金属铁球也是太空风化的产物,被称为纳米铁。它可以聚集在月壤的外层,使表面变得暗淡。现在,我们已经知道有很多因素可以造成太空风化,其中包括太阳辐射、温度的巨幅波动,以及微型陨石的不断轰击。

  留给未来的样品

  现在,月球研究又迎来了激动人心的时刻。就在今年,美国储藏的所有月球样品都将公开,其中一些样品自50年前被采集回来后就一直没有启封过。当年,阿波罗计划艰难地带回了从月球采集到的岩石样本,NASA特意决定留下一部分保持密封,等待科学技术超越阿波罗时代后再进一步研究。

  今年三月,阿波罗新一代样品分析项目(ANGSA)选出了9个研究小组,并给他们分配了来自“阿波罗”15号、16号和17号采集到的样品,此前这些样品一直处于真空密封的状态。研究“新”的月球样品或许是一次全新的机遇,让我们有机会发现更加根本理论,进一步认识地球这颗天然卫星的形成和演变。

在“阿波罗”15、16和17任务期间收集的5块个样品

  尽管目前我们已经从阿波罗号带回的样品和月表试验中获取了很多信息,但新开封的样品仍然会为我们提供难得的信息,当然,我们也迫切地需要更多的样品。例如,我们还没有来自月球远端、极地区域,或者月球深部的样品。我个人有两块样品特别想要,一块是来自月球南极艾肯盆地的样品,另一块则是极地陨石坑中的冰块。南极艾肯盆地是月球上公认的最大撞击盆地,也是太阳系中最大的撞击盆地之一,盆地内部可能包含来自下月壳甚至月幔的物质。研究南极艾肯盆地有助于我们认识这类巨型的盆地,并理解它们是如何影响行星体的表面和内部结构的。如果未来能将极地的冰块样品带回地球,不仅可以告诉我们这些水的来源和年龄,或许还能让我们弄清地球上的水是从哪里来的。

  无论是通过载人飞行还是机器人,都有可能在未来实现这份关于月球样品的愿望清单。至于哪种方案更好,行星科学家还没有达成共识。具体来说,部分科学家认为机器人比载人任务更便宜、更安全,也更有可持续性。而另一方则认为,人类比机器人聪明,能挑选出更多种类、更具地质学意义的样品,阿波罗计划带回的样品就很好地证明了这一点。

  阿波罗计划代表了一项独特的成就,从根本上改变了我们对太阳系的看法。在庆祝人类实现这项伟大的飞跃50周年之际,我们也要意识到,从1972年12月14日执行完阿波罗17号的任务以来,就再也没有人踏上另一颗行星了。作为一名深受这项使命启发的科学家,我希望努力地创造出属于我们这一代人的阿波罗时刻:看到人类再次登上月球,利用聪明才智、持之以恒的信念以及好奇心,探索一切未知。

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