來自月球背面的“土特產(chǎn)”為何珍貴？

嫦娥六號(hào)凱旋，帶回月球背面的“土特產(chǎn)”！

1935.3克！這是人類首次月背采樣返回。

別看這只是近4斤的“土”，它的價(jià)值可比黃金還貴重。科學(xué)家們對(duì)這些從月球來的寶貝寄予厚望，因?yàn)樗鼈儾刂虑虻那笆澜裆踔潦翘栂档拿孛埽恳涣６伎赡苁谴蜷_新知大門的鑰匙。

對(duì)于這份月壤，我們有太多的好奇與期待。

奔月“挖土”，探索秘境中的秘境

自20世紀(jì)50年代起，人類對(duì)月球開展了100多次探測，并10次從月球正面采樣返回——美國通過阿波羅計(jì)劃6次載人登月，共帶回了381.7千克月球樣品；蘇聯(lián)通過月球探測器，分3次采集了326克月球樣品；2020年，嫦娥五號(hào)實(shí)施中國首個(gè)無人月球采樣返回任務(wù)，帶回了1731克月球樣品。

那么，既然嫦娥五號(hào)任務(wù)已圓滿完成，作為備份的嫦娥六號(hào)為何還要奔月“挖土”？

因?yàn)椋瑢?duì)于月球研究來說，這些樣品的多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

“月球表面積接近3800萬平方公里，只比亞洲面積小一點(diǎn)，目前的采樣研究很有限。”國際宇航聯(lián)合會(huì)空間運(yùn)輸委員會(huì)副主席楊宇光說，月球背面和正面地形地貌差異非常大，形成過程中有自身的特殊性，對(duì)其地質(zhì)、火山活動(dòng)等方面的研究需要更多的樣品來支撐。

已有研究也表明，月球具有二分性，正面和背面的成分、結(jié)構(gòu)等都存在顯著區(qū)別。月球正面月殼厚度大約30千米至50千米，玄武巖分布面積大于30%；而月球背面厚度大約60千米至80千米，玄武巖分布面積僅約3%。由于直接暴露在太空中，月球背面如同一塊盾牌，阻擋了大量小天體對(duì)地球的直接撞擊，因此與較為平坦開闊的月球正面不同，月球背面布滿溝壑、峽谷和懸崖。“一個(gè)很明顯的特點(diǎn)就是，月球表面90%以上的低洼平坦區(qū)域都在月球正面，這些區(qū)域被稱為月海，嫦娥五號(hào)就降落在月球正面最大的月海——風(fēng)暴洋中。而月球背面除了莫斯科海以外，幾乎沒有大型的月海。”楊宇光說。

由于月球被“潮汐鎖定”，自轉(zhuǎn)周期和公轉(zhuǎn)周期相等，地球強(qiáng)大的引力讓月球總是以同一面朝向地球，人類在地球上也只能看見月球的正面。對(duì)于人類而言，月球背面可謂“秘境中的秘境”。“可以說，在月球采樣方面，嫦娥五號(hào)是從時(shí)間上補(bǔ)齊了這一環(huán)，因?yàn)槠湓谠虑蛘嫒〉搅似褡钅贻p、地質(zhì)年齡約為20億年的月壤，嫦娥六號(hào)則是從空間上補(bǔ)齊了這一環(huán)。”楊宇光表示。

和月球正面的“土”相比，月球背面的“土”又有什么不一樣？

“從月球背面，尤其是從我們選擇的南極-艾特肯盆地采集樣品，在礦物化學(xué)成分上可能與正面樣品有非常大的差別。”嫦娥六號(hào)任務(wù)副總設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員李春來認(rèn)為，研究這些樣品有助于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，“以往采集的樣品，只認(rèn)識(shí)到半個(gè)月球”。

李春來分析，嫦娥六號(hào)采樣點(diǎn)位于巨大的撞擊盆地里，它受到早期撞擊事件的拋射，很可能會(huì)挖掘到深部物質(zhì)。“南極-艾特肯盆地是一個(gè)巨大的撞擊坑，可以為早期的撞擊歷史，甚至地球的早期撞擊過程研究提供機(jī)會(huì)，有助于了解太陽系早期的演化歷史和判斷歷史，推動(dòng)比較行星學(xué)的研究”。

“我們?cè)诓蓸舆^程中就感覺月球背面和正面的月壤不太一樣，正面的月壤比較細(xì)膩、松散，背面的狀態(tài)似乎不太一樣，所以我們有更高的期待，希望科學(xué)家們有新的發(fā)現(xiàn)。”嫦娥六號(hào)任務(wù)總設(shè)計(jì)師胡浩說。

1935.3克，每一克都是科技的突破

53天，11個(gè)階段，1935.3克！

從5月3日，長征五號(hào)遙八運(yùn)載火箭成功將嫦娥六號(hào)探測器送入預(yù)定軌道開始，歷經(jīng)地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、四器兩兩分離、平穩(wěn)落月、鉆表取樣、月面起飛、交會(huì)對(duì)接、樣品轉(zhuǎn)移、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移、再入回收等階段，嫦娥六號(hào)最終滿載成果返回地球。

回顧這段探月之旅，月背“土特產(chǎn)”，來得不容易。

難在哪兒？月背地形地貌復(fù)雜、落月機(jī)會(huì)只有一次、“挖土”如同“開盲盒”……月背采樣返回，沒有先例可循，面臨很多新情況、新問題。

“這次任務(wù)比嫦娥四號(hào)降落月背、嫦娥五號(hào)月表采樣都更具挑戰(zhàn)性。”楊宇光認(rèn)為，嫦娥六號(hào)面臨的一大困難在于，“在月背降落、采樣和起飛均需要通過中繼衛(wèi)星進(jìn)行測控，整個(gè)過程無法通過地面站直接監(jiān)控。”

“嫦娥六號(hào)原來是嫦娥五號(hào)的備份，執(zhí)行月背任務(wù)是對(duì)備份提出的新挑戰(zhàn)。”在胡浩看來，挑戰(zhàn)來自質(zhì)量和可靠性、技術(shù)狀態(tài)變化以及計(jì)劃安排等多個(gè)方面。

怎么辦？在嫦娥六號(hào)執(zhí)行任務(wù)之前，科研人員對(duì)上天產(chǎn)品和地面產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性進(jìn)行深入分析，使整個(gè)系統(tǒng)更健全、更健康、更可靠；為在月球背面著陸采樣，做出了很多與之相適應(yīng)的改變；在一年多的時(shí)間內(nèi)，從頭開始研制鵲橋二號(hào)中繼星，開展大量試驗(yàn)和驗(yàn)證工作……

“事實(shí)證明，我們成功應(yīng)對(duì)各項(xiàng)挑戰(zhàn)，圓滿完成了任務(wù)。”胡浩說。

困難不斷被克服，關(guān)鍵核心技術(shù)更有新突破。

“亮點(diǎn)非常多！”楊宇光介紹，嫦娥六號(hào)任務(wù)實(shí)現(xiàn)了三大關(guān)鍵技術(shù)突破。

——突破月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制技術(shù)。嫦娥六號(hào)與嫦娥五號(hào)的基本狀態(tài)一致，不同在于，嫦娥六號(hào)是在月球背面著陸，著陸位置由北半球變?yōu)槟习肭颉Ｈ粞赜面隙鹞逄?hào)的環(huán)月順行軌道方案，就意味著很多設(shè)備的朝向是反的。嫦娥六號(hào)采用的逆行環(huán)月軌道方案，雖給軌道設(shè)計(jì)帶來一定難度，但避免了硬件設(shè)備的大幅調(diào)整，做到了整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)。這是一個(gè)設(shè)計(jì)很精巧，能有效降低成本的措施。

——突破月背智能采樣技術(shù)。嫦娥六號(hào)月背采樣只能靠鵲橋二號(hào)中繼星支持，一旦出現(xiàn)問題，任務(wù)就難以進(jìn)行，“尤其是表取，由于機(jī)械臂路徑不是唯一的，在無人干預(yù)的情況下，要自主完成任務(wù)，難度很大。”研制人員為嫦娥六號(hào)采樣封裝分系統(tǒng)進(jìn)行了多項(xiàng)升級(jí)，設(shè)計(jì)了適應(yīng)月球背面采樣的控制算法和采樣策略，進(jìn)一步提高了采樣的智能化、自動(dòng)化程度，增強(qiáng)了采樣效率和能力。

——突破月背起飛上升技術(shù)。嫦娥六號(hào)從月背起飛，要在鵲橋二號(hào)中繼星的輔助下進(jìn)行智能自主控制。嫦娥六號(hào)采樣返回采用了月球軌道交會(huì)對(duì)接的方式，這就要求上升器進(jìn)入和軌返組合體相同的軌道面，然后通過調(diào)整實(shí)現(xiàn)近距離交會(huì)對(duì)接。上升器在繞月軌道上的飛行速度約為1700米每秒，如此高速意味著極小的軌道面偏差就會(huì)導(dǎo)致交會(huì)對(duì)接失敗。

“嫦娥六號(hào)任務(wù)是中國航天史上迄今為止技術(shù)水平最高的月球探測任務(wù)，也是我國第四次成功在月面實(shí)施軟著陸。這對(duì)未來更大規(guī)模、更深入的月球探測、深空探測活動(dòng)，都會(huì)起到夯實(shí)基礎(chǔ)的作用。”楊宇光說。

近觀月壤一克，遙測星河萬年

6月28日，探月工程嫦娥六號(hào)任務(wù)月球樣品交接儀式在北京舉行，國家航天局向中國科學(xué)院移交了嫦娥六號(hào)樣品容器，交接了樣品證書。這標(biāo)志著嫦娥六號(hào)任務(wù)由工程實(shí)施階段正式轉(zhuǎn)入科學(xué)研究新階段。

月球樣品，顆粒皆珍貴，要如何管理？

其實(shí)，這有章可循。2021年，國家航天局發(fā)布《月球樣品管理辦法》，規(guī)范月球樣品的保存、管理和使用，以發(fā)揮其科研價(jià)值與社會(huì)效益。原則上，月球樣品分為永久存儲(chǔ)、備份永久存儲(chǔ)、研究和公益四種基礎(chǔ)用途。

月球樣品實(shí)驗(yàn)室，便是“第一站”。無論是嫦娥五號(hào)月球樣品，還是嫦娥六號(hào)月球樣品，都要在這里解封、存儲(chǔ)和分發(fā)。

月球樣品實(shí)驗(yàn)室由外及里，共分為三個(gè)房間。第一間用來解封樣品，第二間存儲(chǔ)了嫦娥五號(hào)月球樣品，而第三間便是為嫦娥六號(hào)月球樣品所準(zhǔn)備的。

在實(shí)驗(yàn)室，工作人員以“是否接觸過大氣”為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)已有的嫦娥五號(hào)月球樣品進(jìn)行分類存儲(chǔ)。嫦娥六號(hào)探測任務(wù)地面應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師周琴介紹，接觸過大氣的月球樣品分為兩部分，一部分是當(dāng)時(shí)挑出來的一些巖塊樣品，另外一部分是對(duì)外發(fā)布的一些返還樣品。而沒有接觸過大氣的原始月球樣品，會(huì)被存放在一個(gè)充氮密封手套箱里。

此外，周琴還介紹了樹脂包埋的保存方法—將小的巖屑顆粒或月壤做成樹脂光片的形式，科研人員就可以直接用這些光片去做同位素、化學(xué)成分的分析。采用這種方法能保持樣品顆粒的原始形態(tài)，方便研究，同時(shí)在封存狀態(tài)下，樣品不易破碎，利于長期保存使用。

存得好，更要用得好。

此前，國家航天局已向國內(nèi)131個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)放了7批次共85.48克嫦娥五號(hào)月球樣品。國家航天局副局長卞志剛透露，從嫦娥五號(hào)月球樣品中，中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了月球的第6種新礦物“嫦娥石”；研究還證明，月球在19.6億年前仍存在巖漿活動(dòng)，使目前已知月球地質(zhì)壽命“延長”了10億年。月球樣品進(jìn)入“嫦娥時(shí)代”，極大豐富了人類對(duì)月球乃至宇宙的認(rèn)知。

隨著對(duì)嫦娥五號(hào)月球樣品研究的深入，更多月球奧秘正被揭開。

全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家龐之浩表示，根據(jù)任務(wù)計(jì)劃，嫦娥六號(hào)的主要科學(xué)任務(wù)集中在尋找新礦物和巖石、尋找月球深部物質(zhì)、尋找古老物質(zhì)、揭開蘇長巖成因之謎等方面。想要揭秘，還需等待科研人員完成對(duì)樣品的分析和研究，但不妨展望一二—嫦娥六號(hào)月球樣品中或許含有以下成分：巖石碎片，這些碎片來自月球表面的巖石；礦物顆粒，包括長石、輝石、鈦鐵礦等，是月表的主要組成部分；玻璃物質(zhì)，由撞擊熔融形成；微量元素，如銅、金等，對(duì)研究月球形成和演化很有幫助；氦-3，一種潛在的核聚變?nèi)剂稀?/p>

月球古老神秘，人類求索不停。從一抔月壤開始，對(duì)未來，我們充滿期待。（記者 姚昆）