嫦娥六號(hào)探測器示意圖。資料圖片

中國科學(xué)院科研人員在用月壤樣品做實(shí)驗(yàn)。新華社記者 金立旺攝

中國科學(xué)院科研人員在用月壤樣品做實(shí)驗(yàn)。新華社記者 金立旺攝

“嫦娥石”理想晶體圖。中核集團(tuán)核地研院供圖

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嫦娥六號(hào)即將回到地球，大家對它采集的月壤樣品充滿期待。而嫦娥五號(hào)帶回的月壤樣品，3年多來研究情況怎么樣?

截至目前，國家航天局已向國內(nèi)131個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)放7批次共85.48克科研樣品，70余項(xiàng)多個(gè)領(lǐng)域研究成果在中外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表。通過研究月壤，許多月球奧秘正在揭開。

6月25日，完成月球背面采樣的嫦娥六號(hào)，就要帶著“月球包裹”出差回家，抵達(dá)地球了，首次月背采樣返回之旅即將結(jié)束。

而在2020年12月17日，嫦娥五號(hào)從月球帶回1731克月壤樣品，這是人類首次獲得的月表年輕火山巖區(qū)樣品，也是中國科學(xué)家第一次擁有屬于自己的地外天體返回樣品。

3年多來，國家航天局已向國內(nèi)131個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)放7批次共85.48克科研樣品，第一批國際申請已完成專家評(píng)審。目前共產(chǎn)出105篇科技論文，尤其發(fā)現(xiàn)了月球第六種新礦物“嫦娥石”，通過樣品的地質(zhì)定年將月球火山活動(dòng)結(jié)束時(shí)間推遲了約8億年，創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)成因機(jī)制等科學(xué)成果;在國家元首會(huì)見時(shí)，向俄羅斯、法國各贈(zèng)送1.5克科研樣品;在國家博物館、黨史展覽館等場館長期展出，赴港澳等地公開巡展，充分發(fā)揮月球公益樣品科普價(jià)值。

專家表示，雖然發(fā)放月壤樣品僅占采回樣品的5%左右，但取得的科學(xué)研究成就涵蓋了月球形成、演化、太空風(fēng)化作用與機(jī)制以及資源利用等多個(gè)領(lǐng)域，推動(dòng)了我國行星科學(xué)的發(fā)展，培養(yǎng)了行星科學(xué)研究的人才隊(duì)伍，初步形成科學(xué)、技術(shù)、工程融合創(chuàng)新發(fā)展。

測定月壤樣品形成年份，將月球火山活動(dòng)結(jié)束時(shí)間推遲約8億年

專家介紹，嫦娥五號(hào)月壤樣品采自月球的玄武巖單元，這些玄武巖是月幔形成的巖漿溢流到月表固化而成的巖石，它們記錄著月球演化的密碼。

“嫦娥五號(hào)著陸區(qū)是月球最年輕的玄武巖單元之一，此前研究推測這一區(qū)域的年齡為10億至30億年，但這種推測方法存在極大的不確定性?！敝袊茖W(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員賀懷宇介紹，利用自主研發(fā)的超高分辨定年技術(shù)，我國研究團(tuán)隊(duì)測定嫦娥五號(hào)月壤樣品玄武巖形成于20億年前，將月球火山活動(dòng)的結(jié)束時(shí)間推遲了約8億年，并為撞擊坑定年曲線提供了關(guān)鍵錨點(diǎn)，大幅提高了內(nèi)太陽系星球表面撞擊坑定年的準(zhǔn)確度。

除了月球巖漿活動(dòng)停止的確切時(shí)間外，月球最晚期巖漿活動(dòng)的成因也一直是未解之謎。以前科學(xué)界存在兩種可能的解釋：巖漿中富含放射性元素以提供熱源，或富含水以降低熔點(diǎn)。

然而，我國對月壤的最新研究卻排除了這兩種主流觀點(diǎn)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)月壤樣品中的玄武巖初始熔融時(shí)并沒有富集鉀、稀土元素、磷的“克里普物質(zhì)”，這一結(jié)果否定了初始巖漿熔融熱源來自放射性生熱元素的假說。

對于巖漿是否富含水，研究發(fā)現(xiàn)，月幔的水含量僅為1—5微克/克，也就是說，月幔非常的“干”。

基于以上研究，我國科學(xué)家提出新的年輕火山形成機(jī)制和月球熱演化模型，并對未來的月球探測和研究提出了新的方向和啟示。國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表評(píng)述文章指出，“嫦娥五號(hào)任務(wù)在過去從未涉足的月球表面，帶回了迄今為止采集到的最年輕火山巖樣品，這些巖石的研究結(jié)果表明非常有必要修正已有的月球熱演化模型”。

研究月表水成因，太陽風(fēng)為月球帶來可利用的水

近10年來，諸多探測器和觀測結(jié)果都表明月表普遍存在水(OH/H2O)，兩極含量高、赤道含量低，極區(qū)甚至有水冰，且隨日照時(shí)間發(fā)生動(dòng)態(tài)變化?？茖W(xué)家認(rèn)為，太陽風(fēng)、火山噴發(fā)、小行星和彗星都有可能是月表上水的重要來源。但是，由于缺乏直接的樣品分析證據(jù)，月表水的成因和分布一直存在爭議。

中國科學(xué)家對嫦娥五號(hào)月壤樣品的最新研究顯示，月表中緯度區(qū)域太陽風(fēng)在月壤顆粒表層中注入的水比以往認(rèn)為的更多，而月球高緯度區(qū)域可能含有大量具有利用價(jià)值的水資源。

研究人員通過氫與氘的比值分析證明，嫦娥五號(hào)月壤顆粒的最表層的水都是由太陽風(fēng)高速注入月球表面的?？蒲腥藛T分析發(fā)現(xiàn)，從太陽發(fā)射出的氫離子平均速度達(dá)到每秒450公里，它們就像子彈一樣打入月壤顆粒的表層。

通過紅外光譜和納米離子探針分析，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號(hào)礦物表層中存在大量的太陽風(fēng)成因水，根據(jù)估算，太陽風(fēng)質(zhì)子注入為嫦娥五號(hào)月壤貢獻(xiàn)的水含量至少為179ppm(濃度單位)，相當(dāng)于每噸月壤中至少含有170克的水。

研究團(tuán)隊(duì)基于再加熱實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，對不同溫度下月壤顆粒中氫的保存開展了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示太陽風(fēng)成因水可在月表中、高緯度地區(qū)得到較好保存。該研究證實(shí)了月表礦物是水的重要儲(chǔ)庫，為月表中緯度地區(qū)水的分布提供了重要參考。

專家表示，這一發(fā)現(xiàn)對于未來月球水資源的利用具有重要意義。中國計(jì)劃在月球南極建科研站，研究表明月球南極區(qū)域的水含量，可能比人們以往認(rèn)為的還要多，而且這些月壤中的水通過粒度分選和加熱，比較容易開采利用。

研究月壤氦-3提取，為開發(fā)月球能源提供基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)

作為潛在的核聚變?nèi)剂?，?3被認(rèn)為是一種未來的能源。有科學(xué)家估算，如果有100萬噸的氦-3，就能為地球提供1萬年的清潔能源支撐。

中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院高級(jí)工程師李軍杰介紹，氦-3在地球上儲(chǔ)量極低，而月球上儲(chǔ)量卻極為豐富。通過對嫦娥五號(hào)月壤樣品進(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)。這些關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)為我國今后月球氦-3資源總量估算，以及氦-3資源的勘探開發(fā)提供了基礎(chǔ)支撐。

針對月球氦-3資源開采方法的研究，中國科學(xué)院寧波材料所、錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室等聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，月壤中鈦鐵礦顆粒表面都存在一層非晶玻璃。鑒于氦在鈦鐵礦中的高溶解度，研究人員認(rèn)為氦原子首先由太陽風(fēng)注入鈦鐵礦晶格中，之后在晶格的溝道擴(kuò)散效應(yīng)下，氦會(huì)逐漸釋放出來。而表層玻璃具有原子無序堆積結(jié)構(gòu)，限制了氦原子的釋放，氦原子被捕獲并逐漸儲(chǔ)存起來，形成了氣泡。

基于這一發(fā)現(xiàn)，科研人員通過機(jī)械破碎方法在常溫下提取以氣泡形式儲(chǔ)存的氦-3，這一方式不需要加熱至高溫，為今后在月球原位開采氦-3資源提供新的可能性。

發(fā)現(xiàn)“嫦娥石”，是人類在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物

從嫦娥五號(hào)月壤中，中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院科研人員還“挖”到了“嫦娥石”。“嫦娥石”是一種磷酸鹽礦物，呈柱狀晶體，存在于月球玄武巖顆粒中。

據(jù)介紹，中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院月球樣品研究團(tuán)隊(duì)，通過X射線衍射等一系列技術(shù)手段，在14萬個(gè)月球樣品顆粒中，分離出一顆粒徑約10微米大小的單晶顆粒，并成功解譯其晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)國際礦物學(xué)會(huì)(IMA)新礦物命名及分類委員會(huì)(CNMNC)投票通過，確證為一種新礦物，并被命名為“嫦娥石”。

“嫦娥石”是人類在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物，我國也成為世界上第三個(gè)在月球發(fā)現(xiàn)新礦物的國家。

專家介紹，嫦娥六號(hào)任務(wù)之前，人類共對月球進(jìn)行了10次采樣，均位于月球的正面。嫦娥六號(hào)探測器著陸區(qū)位于月球背面的南極—艾特肯盆地區(qū)域內(nèi)，這片區(qū)域是月球最古老、最大的隕石撞擊坑。采集這里的樣品并進(jìn)行分析研究，將填補(bǔ)人類獲取月球背面樣本的空白，深化人類對月球成因和太陽系演化歷史的認(rèn)知。

受訪科研人員表示，有嫦娥五號(hào)月壤研究的積累，他們對嫦娥六號(hào)樣品研究充滿期待，也滿懷信心。(臧春蕾 喻思南)