作者:文汇报记者 郑蔚
编辑:叶松亭
责任编辑:何连弟
来源:文汇报(2020年11月24日)
“无人采样”计划月球采样2000克
文汇报:在社会高度关注“嫦五”的同时,很多读者也第一次听到“行星地质学”这个词,请先介绍一下,“行星地质学”研究的是什么?
肖龙:行星地质学是行星科学的一部分。在1969年7月“阿波罗”飞船月球采样返回之前,我们对月球的认识是很肤浅的。“阿波罗”月球样品研究对月球科学起到了革命性的作用。正是由于“阿波罗”样品的成功返回,提供了研究月球的实际材料,再结合大量遥感探测数据的研究,才开启了行星地质学学科。可以说,是“阿波罗”任务开启了行星地质研究的先河。现今,行星地质的研究对象包括了所有有岩石表面的天体,包括行星和卫星、小行星等。行星地质学研究月球、火星等类地天体的地形地貌物质组成,构造变形,以及它们的形成和演化历史,这和地球科学家研究地球类似。从太阳系的角度来看,地球也是行星之一,而且研究其他行星通常是要借鉴我们对地球的认知。通俗地说,行星地质就是研究月球、火星等星球它们长什么样子,是什么物质组成的,又是怎么形成的等等。
文汇报:请简要介绍一下人类“月球采样”的历程。
肖龙:迄今为止,人类的月球采样分为“载人登月采样”和“无人采样”两种方式。美国历次“阿波罗计划”总共采集了2415块标本,总计约382千克。苏联的“月球计划”以无人采样的方式分3次取回了326克月球样本。美苏相加,尚不满400千克。“嫦娥五号”采用的也是无人采样,目标是一次月球采样2000克。
文汇报:取回这2000克月壤月岩,有哪些重要意义?
肖龙:月壤是月球岩石经过数十亿年的空间风化后形成的,包含不同粒度的岩石碎屑、矿物碎屑、陨石碎屑、撞击熔体碎屑、火山玻璃和各种角砾岩,还有太阳风注入的各种粒子等。因此,科学家可以通过研究月壤中不同的组分,来获得原始月球的物质组成、外来物质、形成时间等重要信息。研究月球的土壤还可以帮助我们了解早期太阳活动情况,从而为了解地球早期经历的相关地质过程提供参考。从我国的行星科学来说,将利用这些宝贵的样品,为认识月球开展深入的研究。其科学成果和不断进步的工程技术,也有助于将来的载入登月和火星、小行星探测任务。
嫦娥五号携带月球样品返回模拟图
月球采样有多难?
文汇报:您参与了月面着陆点的选择,请教一下选择着陆点时主要考虑哪些因素?
肖龙:着陆点的选择最主要考虑两点,一是工程的安全性,二是要有重要的科学价值。工程方面,主要考虑地形、地貌、坡度、光照和通讯等因素。科学方面,要重点考虑在月球科学中的价值,能否为回答月球科学问题提供关键样本。例如,我们不能落在以往“阿波罗”的采样点附近,也不能靠近苏联的采样点;着陆点要有与以往不一样的样品,能够回答以往没有解决的科学问题。
文汇报:为什么我国首次取月球土壤岩石就采用钻探的方式?是不是地表以下的岩石蕴含着月球和太阳系更多的信息?
肖龙:钻探采样,就是想获得从表面到地下一定深度的样品。月球的月壤从表面到深部,其物质组成、粒度等性质有很大差异,不同深度的月壤记录的月球科学信息也有所差异,因此需要获得地下的样品,而且要连续,保持原始的层理信息。这些样品中包含有太阳风和宇宙射线与月岩相互作用的产物,因此对于了解太阳的活动历史也是很重要的。
文汇报:据悉,“嫦五”这次钻探深度达2米左右。月球无人钻探的难度在哪里?月面会不会太坚硬而钻不下去?钻探设备采用何种动力以使它的动力足够强劲?
肖龙:无人钻探确实难度非常大,主要是月面没有水,不能对钻头进行冷却,只能干钻,速度快了温度升高也快,极有可能导致烧钻,导致钻探失败。此外,钻取的样品如何进行转移封装等,都有很多技术难题。这次钻探的主要目标是细粒的月壤,如果碰到坚硬的岩石,就很难钻进了。钻机的动力主要是靠太阳能,因此动力也是有限的。
文汇报:万一钻探设备发生故障,有没有采用别的方式取回月球土壤的预案?
肖龙:为了保证采样成功,除了钻探采样外,还要从月球表面抓取月壤。计划中的2000克样品,主要来自抓取。
肖龙教授考察柴达木盆地类火星地貌(受访者供图)
打开月壤月岩里深藏的秘密
文汇报:有报道说,取回月岩有助于弄清月球何时停止火山活动,弄懂“月球何时停止火山活动”有多重要?地球不是还一直在火山喷发吗?如果月球还未停止火山活动,是不是可以说月球的内核还是“热”的,月球就还没有“死去”?
肖龙:每个天体的生命周期都是有限的,一般体积大的天体寿命要大于小的天体。月球只有地球十分之一的质量,因此它会远早于地球停止来自其自身内部的地质活动。与地球类似,火山和地震等是月球最直观和最重要的地质活动现象。根据“阿波罗”的样品研究,发现月球上的火山岩年龄都老于30亿年,因此科学家推测月球的生命在那个时间就停止了。但后来的研究发现,月球还可能有一些更为年轻的火山岩。如果这一解释能够得到样品数据的支持,就会改写我们以往的认识。行星地质学家就要重新解释,为什么月球在距今十几亿年还有火山活动,它的热源来自哪里?等等。这类研究,也会对我们分析地球等类地行星的生命周期提供帮助。
文汇报:如果月球不久前还发生过火山喷发和月震,会不会影响将来人类在月球上建立基地?
肖龙:地质学上使用的年龄单位是百万年,甚至是亿年。我们所说的“年轻”火山活动也是十几亿年之前的事情了,那时地球上还没有出现高等生命。科学家没有发现月球上有活火山,因此不会对建立月球基地有影响。
文汇报:科学家对月球的研究,是不是会带来我们对地球生命起源的新认识?
肖龙:地球生命起源是个未解之谜。研究月球无法给出直接答案,但是有些现象和事实可以帮助我们分析生命起源的可能性。一是月球上分布有无数的撞击坑,这些撞击事件,可以将月球上的岩石撞碎,并以极快的速度飞出月球引力区,部分就落到地球上。同样的原因,我们在地球上也找到了不少的火星陨石。这说明太阳系不同天体的物质可以通过撞击溅射相互交换。因此,不排除早期地球的生命物质是来自其他天体的可能性。另一方面,地球和月球之间的潮汐作用,也可能为地球海洋生命登陆提供了可能。
文汇报:土壤学家说,在地球上形成1厘米的土壤,要100-1000年的时光。您认为在月球上,如果产生1厘米的土壤,要多少年呢?是不是因为月球表面没有有机物,所以土壤形成时间要长得多?
肖龙:从岩石转化为土壤的过程,称为风化作用,包括物理风化、化学风化和生物风化三大类。地球上土壤的形成速率与岩石的性质和所处的气候环境等密切相关。月球上缺少化学风化和生物风化,只有物理风化作用。从岩石形成土壤的过程经历了陨石撞击破碎、太阳风和宇宙射线的照射、极大的温差不断使得石块碎裂变成小颗粒、最后形成粒径不到一毫米的月壤。科学家通过不同的模型计算,其结果相差很大,但形成1厘米厚的月壤至少也要上千万年。
文汇报:您对我国探月工程“月球采样”的愿景是什么?
肖龙:首先是期待这次任务圆满完成。此外,我非常期待中国航天能够早日实现载人登月。经过培训的宇航员就是月球上的地质学家,他们将有能力识别不一样的岩石和土壤,这样就可以收集和带回更多有科学价值的样品,为我们认识月球和地球本身提供更多科学依据。
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