科研人員查看巖屑顯微鏡成像照片。國家天文臺供圖
大約42.5億年前，月球形成初期，一顆直徑約200公里的天體撞擊月球南極，形成了一個直徑約2500公里、深度達(dá)百公里的巖漿池，這就是現(xiàn)在月球背面的南極-艾特肯盆地，也是月球三大構(gòu)造單元之一。
斗轉(zhuǎn)星移，隨著巖漿池冷卻結(jié)晶，諸如橄欖石、輝石等重的礦物沉到底部，形成下月幔；長石等輕的礦物則浮到頂部，形成月殼。這里形成了月球上特定的巖石——南極-艾特肯撞擊熔巖，被科學(xué)家命名為南極-艾特肯蘇長巖。
撞擊導(dǎo)致下部的月幔發(fā)生熔體抽取、變得“非常貧瘠”“極度虧損不相容元素和水”。理論上說，“極度虧損”這些物質(zhì)的月幔是不會再熔融的。但約28億年前，月球內(nèi)部活力突然增強，觸發(fā)月幔產(chǎn)生熔融，從而引起了火山噴發(fā)。火山噴發(fā)的熔巖記錄下了這次月球內(nèi)部活力增強的事件。
“這就是我們所說的‘大撞擊理論’和‘巖漿洋理論’。”在中國科學(xué)院7月9日舉行的新聞發(fā)布會上，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員吳福元生動描繪了月球演化進(jìn)程。當(dāng)天，他還公布：我國科研團(tuán)隊利用嫦娥六號采回的月球背面樣品取得的4項最新研究成果，以封面文章形式發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志。
這4項研究分別揭示了月背巖漿活動、月球古磁場、月幔水含量及月幔演化特征，首次為人類揭開了月球背面的演化歷史，取得多個“首創(chuàng)性”的關(guān)鍵進(jìn)展。
此前，科學(xué)界對于月背的認(rèn)識主要基于遙感研究。“如今我國科學(xué)家從嫦娥六號月球樣品中獲得的一系列重要發(fā)現(xiàn)，正不斷顛覆和刷新人類對月球的認(rèn)知。”中國科學(xué)院院士王赤說。
科研團(tuán)隊向超導(dǎo)磁力儀中放置月壤樣品。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所供圖
“嫦娥”發(fā)射升空前，科研計劃已“上線”
長期以來，人類都對難以企及的“月之暗面”充滿著好奇，科學(xué)家們也在不懈探索月球“二分性”之謎。
與地球類似，月球自內(nèi)向外分別由月核、月幔與月殼構(gòu)成。但月球的正面和背面差異巨大：正面相對平坦，有廣闊的玄武巖平原；背面則高地遍布，月海稀少……月球“二分性”就是指其正面和背面在形貌、成分、月殼厚度、巖漿活動等方面存在顯著差異。
2024年6月，嫦娥六號成功攜帶1935.3克月背月球樣品返回地球，為人類帶來了解碼月球演化歷史的“鑰匙”。美國科學(xué)院院士理查德·卡爾森評價：“嫦娥六號最令人印象深刻的是，它成功在先前被認(rèn)為無法到達(dá)的月球著陸點執(zhí)行采樣返回任務(wù)。最關(guān)鍵的是，它從月球背面靠近南極-艾特肯盆地的區(qū)域帶回了樣本。”
此次成果研究論文第一作者、中國科學(xué)院國家天文臺副研究員周琴及其團(tuán)隊，對嫦娥六號返回樣品的玄武巖屑進(jìn)行分析，包括觀察巖石結(jié)構(gòu)、礦物成分和特殊的“化學(xué)指紋”（Sr-Nd同位素）分析。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，形成這些玄武巖的“初始原料”——月球內(nèi)部的深處物質(zhì)，狀態(tài)極其“貧瘠”，科學(xué)上稱為“超虧損”。周琴說：“這些為我們了解月球早期內(nèi)部如何分層、冷卻和演化提供了獨一無二的信息，是揭開月球正背面巨大差異之謎的關(guān)鍵一步。”
中國科學(xué)院院士李獻(xiàn)華表示，系列成果首次系統(tǒng)揭示了南極-艾特肯大型撞擊效應(yīng)，這是月球科學(xué)的一級科學(xué)問題，也是未來研究的重要方向。
其實，早在嫦娥六號發(fā)射升空的一年前，各項科研計劃就已“上線”。
吳福元介紹，2023年5月，地質(zhì)與地球物理研究所在嫦娥五號樣品研究的基礎(chǔ)上，成立專門的工作組，每周開展科學(xué)研討。
2024年5月3日嫦娥六號發(fā)射當(dāng)日，地質(zhì)與地球物理研究所在文昌航天發(fā)射場就地成立了一支嫦娥六號“突擊隊”，由該所研究員楊蔚擔(dān)任隊長。5月31日，地質(zhì)與地球物理研究所部署嫦娥六號樣品重點項目。“我們設(shè)置了四大研究課題，其中課題2是嫦娥六號樣品實驗分析，我們做了7個方面的詳細(xì)設(shè)計。”吳福元說。
8月24日，該所李秋立、楊蔚、蔡書慧3位研究人員終于盼來了他們心心念念的嫦娥六號月球樣品。“目標(biāo)明確，緊張有序，方案周密，協(xié)同奮戰(zhàn)”，這是當(dāng)天的嫦娥六號返回月球樣品研究項目啟動會上，嫦娥六號“突擊隊”喊出的口號。
9月10日，各團(tuán)隊就已完成玄武巖年代、巖石學(xué)、地球化學(xué)、含水量、磁學(xué)、稀有氣體等6篇研究論文的投稿。
在嫦娥六號任務(wù)中，國家天文臺承擔(dān)了從科學(xué)目標(biāo)設(shè)計、著陸點選址，到載荷指令上行、數(shù)據(jù)接收處理，再到樣品解封、制備、分析的全鏈條工作。中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所建立了以院士領(lǐng)銜、匯集全所三十幾位青年科研工作者的研究小組，制訂了從樣品前處理、圖像學(xué)工作到成分定年、微量元素分析、同位素分析的測試計劃，甚至具體到每人每天。
李林曦是地質(zhì)與地球物理研究所一名00后在讀博士生，同時也是月幔水含量論文的共同第一作者，回憶那段時光，他說：“收到嫦娥六號月球樣品之后，各課題組的導(dǎo)師們立馬開啟集中攻關(guān)，一起研究、一起寫論文。”他所在的“月球揮發(fā)分”課題組，基本上是按照“三班倒”進(jìn)行實驗和論文修改工作。
令他最激動的是，測試到可以證明月背內(nèi)部“超干”特性的月球含水量數(shù)據(jù)，“當(dāng)時就覺得幾天的夜沒有白熬”。
來自同一課題組的博士后何會存也認(rèn)為：“這是因為前期大量的‘預(yù)演’、預(yù)實驗，把該踩的坑都踩過了，所以對研究結(jié)果有預(yù)期，也能在關(guān)鍵時刻快速有效地交出一份滿意答卷。”
科研團(tuán)隊討論實驗數(shù)據(jù)。廣州地球化學(xué)研究所供圖
從一顆“巖屑”中探知整個宇宙
發(fā)布會現(xiàn)場，中國探月工程一期首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士歐陽自遠(yuǎn)表示，長期以來，“美蘇樣本”僅揭示了月球40億年前至30億年前的片段，“相當(dāng)于我們只知道月球的青壯年期”，月球演化的歷史圖譜是一幅“殘卷”。
嫦娥五號從月球正面采回了迄今最“年輕”的、約20億歲的月球火山巖；嫦娥六號樣品最古老的玄武巖可追溯至42億年前，那時月球僅形成2億-3億年。從嫦娥五號到嫦娥六號的樣品研究，為月球演化歷史補上了關(guān)鍵幾筆。
中國科學(xué)家的研究成果率先解開月球研究中“一老”“一新”兩大核心問題。“可以說開創(chuàng)了月球研究的新時代，作出了重要貢獻(xiàn)。我也一直感受到你們工作的努力，謝謝你們！”歐陽自遠(yuǎn)動情地說。
從嫦娥五號到嫦娥六號，南京大學(xué)一批批青年學(xué)子來到地質(zhì)與地球物理研究所實習(xí)、工作，已在老一輩科學(xué)家的指導(dǎo)下發(fā)表論文29篇，逐步開始“挑大梁”。
李林曦小時候很喜歡撿各種“小石頭”，本科就讀于南京大學(xué)巖石學(xué)專業(yè)。大三暑假，他來到地質(zhì)與地球物理研究所實習(xí)，參與了嫦娥五號的樣品研究工作。
他告訴中青報·中青網(wǎng)記者，“在嫦娥五號任務(wù)之前，我國探測器還未獲得地外樣品，我也在學(xué)習(xí)樣品分析的流程；而現(xiàn)在嫦娥六號樣品研究，大家在前期就劃分了明確的時間點、任務(wù)，集中協(xié)作攻關(guān)。包括我在內(nèi)的很多同學(xué)，也能在自己的科研工作中獨當(dāng)一面了。”
從一顆“巖屑”中探知整個宇宙，這也是“探月者”的工作。此次發(fā)布的4項最新研究成果中，地質(zhì)與地球物理研究所博士后張謙主要參與了嫦娥六號玄武巖樣品的高精度年代學(xué)分析工作。“相對于嫦娥五號月壤主要由采樣點‘本地’的玄武巖風(fēng)化破碎形成，嫦娥六號月壤具有更多的‘外來’物質(zhì)、明顯更加復(fù)雜。這對年代學(xué)研究提出了更高的要求，需要將每一顆微小的‘巖屑’當(dāng)成獨立樣品看待，盡可能給每一顆‘巖屑’進(jìn)行定年。”
功夫不負(fù)有心人，張謙所在團(tuán)隊對嫦娥六號月壤樣品中具有代表性的108顆玄武巖巖屑系統(tǒng)開展了巖相學(xué)和年代學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)其中107顆玄武巖巖屑形成于采樣點本地28億年前的火山噴發(fā)，此外還發(fā)現(xiàn)了一顆特殊的“高鋁”玄武巖巖屑，它的形成年齡為42億年前，是從月球背面其他玄武巖區(qū)域濺射而來。
此次發(fā)布研究成果中，參與月幔水含量研究的何會存，同樣參與了嫦娥五號的樣品分析工作，“嫦娥五號把遙不可及的‘月亮’帶到我們面前，給我機(jī)會近距離欣賞她；而嫦娥六號揭開了‘月之暗面’的神秘面紗。這些研究都非常有趣，得到的研究成果令人振奮！”
按計劃，我國將在2026年前后發(fā)射嫦娥七號，對月球南極的環(huán)境和資源進(jìn)行勘測；2028年前后將發(fā)射嫦娥八號，驗證月球資源的就地利用技術(shù)，也為后續(xù)月球科研站建設(shè)奠定基礎(chǔ)。
何會存說：“月壤的獲得是中國航天的壯舉，也給我們青年科研人員提供了舞臺和機(jī)會，我們趕上了好時候！‘我們的征途是星辰大海’正在一步步走向現(xiàn)實。”（見習(xí)記者 李思 記者 樊未晨）
