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月亮“长”了8亿岁 嫦娥五号月壤研究揭示月球“晚年生活”

文章来源:     责任编辑:mihy     2021-10-26 11:32:49 | |

月球很忙。作为地球唯一的自然卫星,在绕地飞行的数十亿年里,它既要受邀出席中国唐代诗人李白的酒宴,又要为20世纪中叶开启的美苏“太空竞赛”提供活动场地,还要用自己的演化进程,帮助地球人解答“我从哪儿来,要到哪儿去”。

  然而,月球究竟“活”了多少时间,很少有人能说得清楚。

  约45亿年前,月球还是个“宝宝”,一出生就是一团滚烫岩浆,向宇宙昭示着它的活力。而后历经数十亿年的光景,月球逐渐步入“晚年”,岩浆活动逐渐停止,直到完全冷却“死去”……昔日岩浆变成冰冷月海,将光阴的故事凝固在玄武岩里。

  此前,地球上的月球陨石,以及美国、苏联采集而来的月球样本,不断告诉人们,月球的生命特征之一——岩浆活动持续到大约28亿-30亿年前。但是,对于月球岩浆活动停止的确切时间,科学界一直存在争议。

  科学家只拼凑出月球演化故事的中间部分,对于最为关键的“开头”和“结局”却知之甚少。月球的“童年”和“晚年”到底是怎样度过的?

  最近,中国科学家通过嫦娥五号采回的月球样品,终于破解了月球部分“晚年生活”之谜。10月19日,中国科学院地质与地球物理研究所(以下简称“地质地球所”)和中国科学院国家天文台主导,联合多家研究机构在国际学术期刊《自然》发表了相关研究的学术论文。

  这份研究显示,人们之前想错了,月球的岩浆活动一直持续到距今约20亿年,月球的寿命比此前推测的又延长了约8亿岁;更有意思的是,最新研究还发现,放射性元素和水,在月球“延寿”这件事上可能都没帮上忙。

  这到底是怎么回事?

  奔月前布下的“棋阵”

  要解决科学问题,首先得有研究对象,而研究月球最好的对象之一,就是“月壤”。

  在前不久举行的中国科学院科研成果发布会现场,中国科学院院士、嫦娥工程顾问欧阳自远谈及“月壤”重要性时说:“‘抓土’是有讲究的,嫦娥五号可不是随便抓了一把土回来。”

  我国在2004年开启的探月工程——嫦娥工程布局了“绕”“落”“回”三步走战略。嫦娥一号、二号实现了“绕”月;嫦娥三号实现了“落”月,嫦娥四号实现了月球背面的软着陆;2020年着陆在月球风暴洋西北处吕姆克山附近的嫦娥五号,则成功完成我国首次地外天体采样返回任务,拿回了备受瞩目的“月球土特产”。

  在此处采集“月壤”,可是大有讲究。欧阳自远表示,选择在风暴洋“抓土”,就是“希望对于月球距今30亿年以来的历史,增添一些我们中国科学家的突破和贡献”。他们相信,此地有着月球上最晚形成的玄武岩,而月球“晚年生活”的故事,就藏在里面。

  可以说,这是在嫦娥五号奔月之前,就已经布好的“棋阵”。

  这边厢,嫦娥五号在月球精准“抓土”,那边厢,38万公里之外的地球人实验室里,则在有针对性地开发能匹配月球研究课题的关键技术。

  为有朝一日能破解月球的奥秘,科学家们摩拳擦掌。《自然》论文的通讯作者、中国科学院院士、地质地球所研究员李献华告诉记者,自1999年开始,中国科学院便面向地球与行星科学,着手建设微区原位分析测试平台。技术储备就绪,他们开始“盼星星,盼月亮”。

  月球比想象中“活”得更久

  2020年12月17日,满载月球故事的嫦娥五号返回器,终于在我国内蒙古四子王旗安全着陆。

  之后的事情很多人都知道了。经确认,嫦娥五号一共带回了1731克月球样品,这是人类时隔44年再次迎来的月球样品。很多科学家都希望能从这些比黄金还要珍贵的样品中“看到月球的过去”。

  半年多之后,中科院地质地球所和国家天文台等单位牵头的科研团队,获得了第一批发放的嫦娥五号月球科研样品中的一部分——3克月壤粉末和两个岩屑光片。

  一个装有黑色月壤粉末的玻璃小瓶,就这样送到了青年研究员杨蔚和同事的手上。要给月球测定寿命,他们首先要在月球样品中找出记载着月球“晚年生活”的玄武岩颗粒。

  但月壤粉末实在是太细了,如果处理不当,一打开瓶盖就会被地球上的静电效应弄得“灰飞烟灭”。面对这些以克为单位的样品,科研人员如履薄冰。

  杨蔚和几位年轻同事用隔离服把自己裹得严严实实,进入超净实验室,对月壤样品进行转移和分选,“领导们就站在门外等着,大家既紧张又期待,我们操作一步就出来报告一下进展。”杨蔚说。

  很快,杨蔚和同事把仅有几微米大小的玄武岩颗粒分离了出来。大家很兴奋:这些可是记录月球历史的“时间胶囊”啊!

  到这里,研究才刚刚开始。要让玄武岩“开口讲故事”,还要有一把能撬动玄武岩嘴巴的“钥匙”。这把“钥匙”,就是李献华团队的关键利器——“离子探针超高空间分辨率定年技术”。

  李献华解释,科研团队改进了商用离子探针分析仪器的关键硬件,能够对小到3微米的颗粒进行精确分析。有了这样的技术储备,科研人员才能对“超迷你”尺寸的玄武岩关键部位进行检测。

  研究结果表明,嫦娥五号带回的玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年,这意味着,月球最“年轻”的玄武岩,形成于20亿年前。进一步说,月球直到20亿年前仍存在岩浆活动,这比科学家此前估算的“寿龄”,还多“活”了8亿岁。

  这个结论相当于在月球的“生长曲线”上锚定了一个新的、关键的时间点,填补了人类对月球“晚年”演化历史认知的空白。

  多出来8亿年,然后呢?

  科学家并未就此停下脚步,他们对月球演化提出了新问题:多出来的8亿年是怎么来的,换言之,月球为什么在距今20亿年前仍能保持活力?

  两个假说被接连推翻

  月球最晚期岩浆活动的成因,一直是未解之谜。此前科学界存在两种解释:一种可能是,岩浆的源区中富含放射性元素,从而为产生岩浆提供了热源;另一种可能是,岩浆源区中富含水,因此降低了岩石的熔点。

  为验证源区富含放射性元素的假说,中科院地质地球所钻研多年的另一件利器——“超高空间分辨率同位素分析技术”登场了。

  研究结果出乎意料:科研人员并未在玄武岩样品初始熔融时找到钾、稀土元素、磷的“克里普物质”等放射性生热元素。也就是说,科学家此前误解了月球,第一种假说就此被推翻了。

  为了验证岩浆地区富含水的假说,科研团队的第三件利器——“纳米离子探针分析技术”派上用场。

  通过测定嫦娥五号玄武岩中的水含量和氢同位素组成,科研人员发现,“如果按重量把源区岩石分成100万份,水含量只占1-5份”,这表明月幔非常“干”,并不富含水。也就是说,科学家又一次误解了月球,第二种假说也被推翻了。

  既不是放射性元素,也不是水,那么到底是什么导致月球寿命的延长呢?

  更多月球故事有待揭秘

  李献华目前也不知道答案。

  他告诉记者,这一系列最新研究,对月球热演化历史研究提出了新的科学问题,“月球冷却如此之慢的原因并不清楚,需要全新的理论框架和演化模型,对未来的月球探测和研究提出了新的方向。”

  让人欣慰的是,探索月球奥秘的研究队伍正在持续壮大。

  国家航天局嫦娥五号月球样品专家委员会成员、中科院院士徐义刚,在中科院成果发布会当天表示,近期,又有一批月球科研样品发放给了科学家。有志于此的研究者可以向该委员会申请样品。

  未来连接过去,科学家就像是时间的催化剂,总能带来惊喜。“天地玄黄,宇宙洪荒。日月盈昃,辰宿列张。寒来暑往,秋收冬藏。”月球的生命历程,在某种程度上预示着地球的演化轨迹,更多故事有待揭秘。

  “月球‘延寿’不是因为放射性元素和水,那到底是因为什么呢?我们的研究还在继续。”杨蔚笑着对记者说。

  中青报·中青网记者 张茜 来源:中国青年报


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