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月球樣品研究,期待幾何?

2024-07-25 09:25:18來(lái)源:人民網(wǎng)責(zé)任編輯:崔鑫

嫦娥六號(hào)返回器開(kāi)艙儀式現(xiàn)場(chǎng),,科研人員對(duì)月球樣品進(jìn)行稱(chēng)重,。新華社發(fā)

??月球,這顆距離地球最近的天體,,是人類(lèi)邁向星辰大海必須跨越的地方,。

??2024年6月25日,嫦娥六號(hào)返回器攜帶來(lái)自月球背面的月球樣品,,在內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸,,標(biāo)志著探月工程嫦娥六號(hào)任務(wù)取得圓滿成功。1935.3克,,這是人類(lèi)第一份來(lái)自月球背面的樣品!此前,人類(lèi)在月球上進(jìn)行了10次樣品采集,,但都是在月球正面,。這也是我國(guó)采集到的第二份月球樣品。2020年12月,,嫦娥五號(hào)帶回約1731克月球正面樣品,,科研人員對(duì)樣品開(kāi)展了多項(xiàng)研究。

??月球樣品能為我們揭曉什么秘密?令人期待,。

??月背采樣有什么不一樣

??在嫦娥六號(hào)之前,,人類(lèi)共進(jìn)行過(guò)10次月球采樣:蘇聯(lián)3次,美國(guó)6次,,以及我國(guó)嫦娥五號(hào)1次,,均為月球正面。

??嫦娥六號(hào)是嫦娥五號(hào)的備份,最初的目標(biāo)也是月球正面采樣,。但隨著嫦娥五號(hào)在月球正面成功采樣并返回,,嫦娥六號(hào)的目的地也發(fā)生了變化——月球背面。這顯然更具挑戰(zhàn)性,。一方面,,人類(lèi)對(duì)月球背面了解更少,月背采樣面臨更多無(wú)法預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn);另一方面,,受到月球自身的遮擋,,處于月背的探測(cè)器無(wú)法與地球直接通信。因此,,嫦娥六號(hào)在月背著陸和采樣,,需要鵲橋二號(hào)中繼星提供通信“中轉(zhuǎn)站”服務(wù)。

??嫦娥六號(hào)采樣和封裝過(guò)程中,,科研人員會(huì)在距離月球38萬(wàn)公里外的地面實(shí)驗(yàn)室,,根據(jù)鵲橋二號(hào)中繼星傳回的探測(cè)器數(shù)據(jù),對(duì)采樣區(qū)的地理模型進(jìn)行仿真,,并模擬采樣,,為嫦娥六號(hào)的采樣決策和各環(huán)節(jié)操作提供支持。通過(guò)這種“人機(jī)協(xié)作”方式,,輔助嫦娥六號(hào)及時(shí)研判控制鉆取風(fēng)險(xiǎn),,現(xiàn)場(chǎng)決策后續(xù)動(dòng)作。

??但是,,萬(wàn)一中繼星和地面失去聯(lián)系,,怎么辦?

??據(jù)嫦娥六號(hào)任務(wù)總設(shè)計(jì)師胡浩介紹,科研人員設(shè)計(jì)了很多預(yù)案,。其中一個(gè)是,,提高嫦娥六號(hào)探測(cè)器的“自主技能”——一旦中繼星出現(xiàn)問(wèn)題,嫦娥六號(hào)探測(cè)器可以自主開(kāi)展活動(dòng),,自己給自己下達(dá)程序化指令,,包括鉆取、提升,、起飛等,,自主判斷和執(zhí)行。

??當(dāng)然,,這個(gè)預(yù)案最后沒(méi)有用上,,地月之間的中繼通信一直很暢通。不過(guò),,采樣過(guò)程仍然讓大家“提心吊膽”,。

??與嫦娥五號(hào)一樣,,嫦娥六號(hào)也有兩種采樣方式:一是表取采樣,用機(jī)械臂攜帶采樣裝置采集月球表面的土壤;二是鉆取采樣,,用一根鉆桿鉆入月球表層預(yù)定深度,,采集較深層的土壤。

??相比表取,,鉆取的難度和不確定性更大,。嫦娥六號(hào)著陸后,不能挪動(dòng)位置,,鉆取過(guò)程如果碰到堅(jiān)硬的巖石,,不可能換地方再鉆。但也不能輕易放棄,,因?yàn)殂@取確實(shí)十分有必要——從月球表面到深部,,月壤的物質(zhì)組成、粒度等性質(zhì)有很大差異,,不同深度的月壤記錄的月球科學(xué)信息也不同,。

??為了確保“鉆得動(dòng)”,,航天科技集團(tuán)五院研制團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了大量地面試驗(yàn)與仿真分析,。他們結(jié)合月壤特性,設(shè)計(jì)了一種獨(dú)創(chuàng)鉆頭,,并通過(guò)對(duì)比多種設(shè)計(jì)方案,,確定取芯機(jī)構(gòu)方案以及相應(yīng)構(gòu)型,使其具備高硬度巖石的鉆進(jìn)能力,。

??不過(guò),,科研人員終究無(wú)法預(yù)測(cè)所有情況。在鉆進(jìn)1米多一點(diǎn)后,,嫦娥六號(hào)遇到了狀況,。“經(jīng)過(guò)專(zhuān)家們一致判斷,,覺(jué)得可能是有石頭卡在那了,。”胡浩說(shuō),。這個(gè)石頭確實(shí)很硬,是繼續(xù)鉆,,還是停止?一直鉆下去,,也不是不行。但是,,“再鉆下去可能會(huì)把前面鉆的一些成果丟掉,?!焙普f(shuō),嫦娥六號(hào)在月球上的工作時(shí)間是有限的,,能量也是有限的,,“再鉆可能就影響到后邊的任務(wù)”。這也正是月球背面采樣,,以及航天探索的魅力——在太空中,,總會(huì)有不期而遇的“意外”發(fā)生。

??權(quán)衡之下,,停止鉆取,,開(kāi)始采樣。盡管沒(méi)有達(dá)到預(yù)想的鉆取深度,,但通過(guò)表取和鉆取的配合,,嫦娥六號(hào)仍然采集到了1935.3克月球背面樣品?!拔覀兊哪繕?biāo)是兩公斤月壤,,容器設(shè)計(jì)就這么大,再多也裝不下,?!焙普f(shuō)。

??嫦娥五號(hào)月壤研究已發(fā)表100多篇高質(zhì)量論文

??6月28日,,嫦娥六號(hào)月球樣品由國(guó)家航天局移交至中國(guó)科學(xué)院,,開(kāi)展月球樣品的存儲(chǔ)和處理,啟動(dòng)科研工作,。

??與此同時(shí),,科研人員對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品的研究仍在繼續(xù)。過(guò)去3年多以來(lái),,國(guó)家航天局已向國(guó)內(nèi)131個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)放科研樣品,。通過(guò)對(duì)這些樣品的研究,科研人員在月球形成與演化,、太空風(fēng)化作用及資源利用等多個(gè)領(lǐng)域取得重大成果,。其中,有兩項(xiàng)研究成果備受關(guān)注,。一項(xiàng)涉及月球壽命,,一項(xiàng)關(guān)乎月球水資源。

??與地球類(lèi)似,,火山和地震等是月球最直觀的地質(zhì)活動(dòng)現(xiàn)象,。月球的巖漿作用一旦停止,便意味著月球地質(zhì)意義上的“死亡”,。因此,,月球巖漿作用到底什么時(shí)候停止的,,一直是月球演化歷史研究中的重大科學(xué)問(wèn)題之一。

??此前,,美國(guó)“阿波羅”月球樣品研究表明,,月球上的火山巖年齡都超過(guò)30億年,因此,,科學(xué)家推測(cè)月球的生命在那時(shí)就停止了,。但通過(guò)對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品中玄武巖的研究,科研人員發(fā)現(xiàn),,這些玄武巖是19.6億年前由火山噴發(fā)形成的,,是迄今發(fā)現(xiàn)的最“年輕”的月球玄武巖。

??也就是說(shuō),,月球的巖漿活動(dòng)可能一直持續(xù)到19.6億年前,。科研人員指出,,對(duì)比“阿波羅”樣品研究結(jié)果,,目前已知月球地質(zhì)壽命相當(dāng)于“延長(zhǎng)”了約10億年。

??嫦娥五號(hào)樣品研究不僅改寫(xiě)了月球的壽命,,也回答了大家非常關(guān)注的另一個(gè)問(wèn)題——月球上是否有水,。

??科研人員對(duì)嫦娥五號(hào)月壤中的輝石、橄欖石和斜長(zhǎng)石礦物開(kāi)展研究,,發(fā)現(xiàn)嫦娥五號(hào)礦物表層中存在大量的太陽(yáng)風(fēng)成因水,。據(jù)估算,太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子注入為嫦娥五號(hào)月壤貢獻(xiàn)的水含量至少為170ppm(即100萬(wàn)分之170),,相當(dāng)于每噸月壤中至少含有170克的水,。

??進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),這些太陽(yáng)風(fēng)成因水可在月表中,、高緯度地區(qū)得到較好保存,,證實(shí)月表礦物是水的重要儲(chǔ)庫(kù),還為月表中緯度地區(qū)水的分布提供了重要參考,,對(duì)月球水資源的利用具有重要意義,。未來(lái),我們將在月球建立國(guó)際月球科研站,,實(shí)現(xiàn)人類(lèi)在月球的長(zhǎng)期駐留和工作,。如果能在月球上開(kāi)發(fā)和利用水資源,好處是顯而易見(jiàn)的,。

??此外,,還有更多研究成果拓寬和深化了我們對(duì)月球的認(rèn)識(shí):

??——科研人員在月壤中發(fā)現(xiàn)了一種全新的礦物,并將其命名為“嫦娥石”。這是人類(lèi)在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物,,我國(guó)也成為世界上第三個(gè)在月球發(fā)現(xiàn)新礦物的國(guó)家。

??——通過(guò)對(duì)月壤進(jìn)行階段升溫提取氦-3的方式,,科研人員確立了月壤氦-3的最佳萃取溫度參數(shù),。作為潛在的核聚變?nèi)剂希?3被認(rèn)為是一種未來(lái)能源,。這些關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)為以后月球氦-3資源總量估算,,以及氦-3資源的勘探開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)支撐。

??——科研人員首次在月壤樣品中發(fā)現(xiàn)天然形成的石墨烯,,拓寬了人們對(duì)月壤復(fù)雜礦物組成的認(rèn)知,,為月球的原位資源利用提供了重要信息及線索。石墨烯以其獨(dú)特的物理特性,,在包括行星和空間科學(xué)在內(nèi)的廣泛領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,。

??…………

??“科研成果非常豐富?!辨隙鹆?hào)任務(wù)副總設(shè)計(jì)師,、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員李春來(lái)說(shuō),這么短時(shí)間內(nèi),,月壤研究已經(jīng)有100多篇高質(zhì)量的論文發(fā)表,,一些成果發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》《科學(xué)》等重要學(xué)術(shù)刊物上。

??目前,,我國(guó)已經(jīng)啟動(dòng)嫦娥五號(hào)月球樣品的首次國(guó)際申請(qǐng)和評(píng)審工作,。不久的將來(lái),我們或許也會(huì)收到國(guó)外科學(xué)界帶來(lái)的驚喜,。

??月背樣品將讓我們看到一個(gè)更完整的月球

??嫦娥五號(hào)月球樣品的研究,,揭曉了那么多關(guān)于月球的奧秘,這讓我們對(duì)嫦娥六號(hào)的月背樣品更加充滿期待,。

??“以往采集的樣品,,我們只認(rèn)識(shí)到半個(gè)月球?!崩畲簛?lái)說(shuō),,月背樣品有望為研究月球的二分性、完整了解月球的歷史,,提供機(jī)會(huì),。

??嫦娥六號(hào)之所以選擇在月球背面的南極-艾特肯盆地采樣,為的就是盡可能采到與過(guò)去不同的月球樣品,,從而更全面地研究月球,。與月球正面相比,月背有更多撞擊坑,,月海范圍更小,。而且,,月背起伏大、地勢(shì)較高,,地面更加粗糙,。

??“我們?cè)诓蓸舆^(guò)程中就感覺(jué)月球背面和正面的月壤不太一樣,正面的比較細(xì)膩,、松散,,背面的狀態(tài)似乎不太一樣?!焙普f(shuō),。

??李春來(lái)指出,南極-艾特肯盆地是月球上已知最大,、最深,、最古老的盆地,礦物化學(xué)成分可能與正面有非常大的差別,。研究這里的地質(zhì)構(gòu)成,、物質(zhì)組成、演化歷史,,有助于了解月球的地質(zhì)演化歷史,,揭示月球背面特有的地質(zhì)構(gòu)造和物質(zhì)成分的差異,更全面地了解月球的地質(zhì)演化歷史,。

??既然來(lái)自月球最古老的盆地,,那嫦娥六號(hào)樣品中很可能發(fā)現(xiàn)月球的古老物質(zhì)。中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所專(zhuān)家楊溢指出,,根據(jù)撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年,,南極-艾特肯一帶年齡約42億年,可能分布有月表最古老的巖石,。嫦娥五號(hào)樣品中發(fā)現(xiàn)了目前月球最年輕的玄武巖,,那么,嫦娥六號(hào)樣品是否能發(fā)現(xiàn)月球最古老的巖石和可定年的礦物?

??除了尋找最古老的巖石,,嫦娥六號(hào)樣品還可能發(fā)現(xiàn)月球深部物質(zhì),。

??嫦娥六號(hào)著陸的阿波羅撞擊坑,位于南極-艾特肯盆地內(nèi)部,,是一個(gè)多次撞擊形成的“盆中之盆”,。專(zhuān)家認(rèn)為,這里可能是月殼最薄的位置之一,,是月球深部物質(zhì)潛在出露區(qū),,更容易獲得月球深部物質(zhì)。

??“深部物質(zhì)非常珍貴,也很難有機(jī)會(huì)獲得,?!崩畲簛?lái)說(shuō),嫦娥六號(hào)采樣點(diǎn)受到早期撞擊事件的拋射,,很可能采集到月球深部,,甚至月幔的樣品,為研究月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分提供寶貴數(shù)據(jù),。

??而且,來(lái)自撞擊坑的月球樣品,,還可以為研究月球早期的撞擊歷史,,甚至地球的早期撞擊過(guò)程提供機(jī)會(huì),有助于了解太陽(yáng)系早期的演化歷史,,推動(dòng)比較行星學(xué)的研究,。

??此外,與嫦娥五號(hào)一樣,,尋找水資源也是嫦娥六號(hào)月背樣品研究的一個(gè)重要議題,。楊溢指出,月球正面受到“地球風(fēng)”影響,,相對(duì)富氧,、富水。根據(jù)遙感光譜研究,,月球背面雖然不如正面富氧,、富水,但也存在少量富氧,、富水區(qū)域,,甚至發(fā)現(xiàn)了赤鐵礦等名義含水礦物(指化學(xué)式中包含水分子,實(shí)際上不以液態(tài)水形式,、而以水合物或羥基等形式存在的礦物),。

??“嫦娥六號(hào)如果采集到名義含水礦物,或者樣品包含特殊的水賦存狀態(tài),,將是非同尋常的突破,。”楊溢認(rèn)為,,這對(duì)于月球水資源研究非常有意義,。

??當(dāng)然,對(duì)人類(lèi)首份月背樣品的研究,,還有更多可能,。比如,是否也會(huì)發(fā)現(xiàn)新的礦物?月球原位資源利用會(huì)有什么新突破?

??為開(kāi)展月背樣品研究工作,探月工程地面應(yīng)用系統(tǒng)總體單位中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)將對(duì)嫦娥六號(hào)月背樣品進(jìn)行制備和分裝,。嫦娥六號(hào)任務(wù)新聞發(fā)言人葛平6月28日透露,,預(yù)計(jì)半年后,能夠向國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和科研人員開(kāi)放申請(qǐng),。

??另外,,國(guó)家航天局此前已制定月球樣品及科學(xué)數(shù)據(jù)的國(guó)際合作實(shí)施細(xì)則,并公布了月球樣品研究的申請(qǐng)流程,?!皻g迎各國(guó)科研人士按照有關(guān)流程提出申請(qǐng),共享惠益,?!眹?guó)家航天局國(guó)際合作司負(fù)責(zé)人劉云峰說(shuō)。月球的更多秘密等著科學(xué)家一一揭曉,。(陳海波)



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