解析月球的“禮物”

吳彪 季蓉

2020年12月17日凌晨，“嫦娥五號(hào)”返回器攜帶月球土壤樣品，采用半彈道跳躍方式返回地球，在內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗預(yù)定區(qū)域安全著陸。此次“嫦娥五號(hào)”帶回了1731克月球樣品，這是我國(guó)迄今為止最復(fù)雜、最雄心勃勃的航天飛行，也是我國(guó)首次完成地外天體樣品采集。它完成了一次特殊的使命——將月球原生態(tài)土壤帶回地球。

月球上的巖漿活動(dòng)何時(shí)停止？曾經(jīng)的巖漿活動(dòng)如何維持？月球內(nèi)部是否有水？這些科學(xué)問(wèn)題一直是人們熱議的話(huà)題，并持續(xù)受到關(guān)注。這次被帶回的原生態(tài)月壤，為解決上述問(wèn)題提供了絕好的機(jī)會(huì)，讓全世界的科學(xué)家欣喜不已，其中就有中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中科院地化所”）副研究員李陽(yáng)的身影。透過(guò)月壤，他看到了月球研究的光明前景，也看到了月球研究能夠取得新突破的希望。

被月球吸引

2007年的秋天，還是一名大四學(xué)生的李陽(yáng)在學(xué)校的報(bào)刊欄看到了一則十分新奇的新聞：中國(guó)將在10月份發(fā)射“嫦娥一號(hào)”探月衛(wèi)星，正式開(kāi)展月球探測(cè)工程。在看到新聞的一瞬間，李陽(yáng)覺(jué)得這是一件非常有趣的事情，盡管并不了解，但他卻對(duì)此產(chǎn)生了無(wú)比濃厚的興趣。于是李陽(yáng)開(kāi)始在網(wǎng)上搜索關(guān)于探月工程和“嫦娥一號(hào)”的相關(guān)資料，進(jìn)一步了解到中科院地化所的歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士是探月工程的首席科學(xué)家。

“在我讀書(shū)的時(shí)候，許多人還在討論如何采礦、如何煉鋼鐵，而那時(shí)卻有一位科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注地球以外的事情，歐陽(yáng)老師真的是非常有遠(yuǎn)見(jiàn)。”李陽(yáng)很快做了一個(gè)對(duì)他今后人生意義重大的選擇：考取中科院地化所的研究生，將來(lái)成為行星科學(xué)的研究人員。

下定決心之后，李陽(yáng)鼓足勇氣給歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士寫(xiě)了一封郵件。“歐陽(yáng)老師很快就回復(fù)了我，他說(shuō)非常歡迎我來(lái)地化所，并讓我聯(lián)系王世杰老師。”懷抱著探索之心的李陽(yáng)，以研究生考試第二名的成績(jī)被中科院地化所錄取，拉開(kāi)了他研究月球的科研序幕。

最好的方式

在“嫦娥五號(hào)”帶回月球土壤樣品之前的歲月里，中國(guó)科學(xué)家研究月球或者其他行星的方式主要有兩種：

一是研究隕石樣品。既然去不了月球，那就研究天上掉下來(lái)的東西。以歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士為代表的行星科學(xué)家選擇的第一個(gè)研究對(duì)象就是隕石，這些從天上掉下來(lái)的隕石是構(gòu)成太陽(yáng)系固態(tài)行星、月球和小行星的初始物質(zhì)，也是研究月球科學(xué)與行星科學(xué)的基礎(chǔ)。

二是進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)研究。隨著科學(xué)研究技術(shù)條件的改善，中國(guó)科學(xué)家有了能夠模擬月球或者其他行星環(huán)境的設(shè)備。“比如說(shuō)搭建離子注入機(jī)可以去模擬太陽(yáng)風(fēng)的輻射，脈沖激光器、輕氣炮和高速粉塵撞擊模擬微隕石轟擊過(guò)程，高低溫變化的實(shí)驗(yàn)艙可以去模擬熱疲勞的過(guò)程。”李陽(yáng)介紹說(shuō)，盡管隕石樣品研究和模擬實(shí)驗(yàn)研究是行星科學(xué)研究非常重要的研究方法，但都存在很大的局限，這兩種研究方法對(duì)行星科學(xué)來(lái)說(shuō)都不是最好的研究方法。“最好的方式是我們能夠自主研發(fā)探測(cè)器和載荷到月球表面開(kāi)展探索活動(dòng)，拿到第一手的原始數(shù)據(jù)和采回來(lái)的樣品。”

2020年，李陽(yáng)成為中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)培育項(xiàng)目子課題“月壤演化動(dòng)力學(xué)過(guò)程實(shí)驗(yàn)?zāi)M”的負(fù)責(zé)人，他與合作伙伴一起通過(guò)多種技術(shù)手段，從微觀角度探索月壤形成的演化過(guò)程。對(duì)李陽(yáng)來(lái)說(shuō)，他在子課題背后的最終研究目標(biāo)，是為月球形成和時(shí)空演化建立完整的科學(xué)模型，給未來(lái)的月球探測(cè)提供重要的依據(jù)。隨著“嫦娥五號(hào)”順利返回地球，李陽(yáng)說(shuō)的“最好的方式”已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

目前，已公開(kāi)申請(qǐng)和發(fā)放了4個(gè)批次的“嫦娥五號(hào)”月球樣品，涉及的研究?jī)?nèi)容非常廣泛。李陽(yáng)參與組織了多次中科院地化所申請(qǐng)“嫦娥五號(hào)”月球樣品的活動(dòng)，“第一輪申請(qǐng)我們得到1個(gè)樣品，第二輪申請(qǐng)我們得到了10個(gè)樣品，第三輪我們得到了4個(gè)樣品，第四輪申請(qǐng)我們得到3個(gè)樣品。我們目前做了一些科學(xué)研究工作，發(fā)現(xiàn)比之前通過(guò)隕石或者模擬實(shí)驗(yàn)研究的效率高太多了”。

我國(guó)“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器采集到位于風(fēng)暴洋北（43.06°N、51.92°W）的月球樣品并返回地球。同位素年代學(xué)的分析結(jié)果已證明了“嫦娥五號(hào)”樣品具有當(dāng)前已知最年輕的玄武巖年齡（大約20億年），且結(jié)合前期研究結(jié)果可知，“嫦娥五號(hào)”采樣區(qū)表面月壤的形成年齡和空間暴露歷史小于阿波羅月壤的平均值。因此，“嫦娥五號(hào)”樣品可能保留了月壤形成與演化初期階段單質(zhì)金屬鐵形成機(jī)制的相關(guān)信息。

李陽(yáng)和研究團(tuán)隊(duì)在以上思路的指引下，結(jié)合前期隕石學(xué)研究成果，開(kāi)展了“嫦娥五號(hào)”鏟取月壤粉末樣品中單質(zhì)金屬鐵的多種成因機(jī)制研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，“嫦娥五號(hào)”月壤樣品中鐵橄欖石顆粒的邊緣普遍具有含氣孔納米金屬鐵、無(wú)定形富硅組分及富鎂層共存的特征，熱力學(xué)計(jì)算與電子損失能量譜（EELS）分析顯示納米金屬鐵內(nèi)部的納米級(jí)囊泡或由氧氣（O2）和氧化硅（SiO）氣體形成。此外，鐵橄欖石顆粒表面的微隕石坑中也存在大量原位微隕石沖擊形成的單質(zhì)金屬鐵，并通過(guò)EELS檢測(cè)發(fā)現(xiàn)伴生的三價(jià)鐵離子。“這些研究證實(shí)了月壤中單質(zhì)金屬鐵存在新的成因機(jī)制，為‘嫦娥五號(hào)著陸區(qū)月壤形成與演化過(guò)程研究提供了參考依據(jù)，并為后續(xù)月球、小行星等返回樣品分析提出了新思路，對(duì)于闡釋太陽(yáng)系無(wú)大氣行星體表面性質(zhì)具有重要意義。”李陽(yáng)說(shuō)。

相關(guān)研究成果以《嫦娥5號(hào)月壤中鐵橄欖石分解產(chǎn)生的納米相鐵顆粒：對(duì)撞擊過(guò)程中熱效應(yīng)的影響》和《嫦娥5號(hào)月壤中歧化反應(yīng)成因單質(zhì)金屬鐵的發(fā)現(xiàn)》為題，分別發(fā)表在《地球物理研究快報(bào)》（Geophysical?Research?Letters）和《自然·天文》（Nature?Astronomy）上。“從我自身體會(huì)來(lái)說(shuō)，‘嫦娥五號(hào)月壤樣品給中國(guó)乃至世界月球科學(xué)研究提供了絕佳的機(jī)會(huì)。”李陽(yáng)說(shuō)道。

傳道授業(yè)解惑

1978年，時(shí)任美國(guó)國(guó)家安全顧問(wèn)布熱津斯基訪華帶來(lái)了一件非同尋常的禮物——1克“阿波羅”登月航天員采回的月球巖石與土壤樣品。這件樣品一半留給北京天文館，向公眾科普月球知識(shí)；另一半，則被歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士帶回貴州開(kāi)展研究。

歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士組織全國(guó)各地相關(guān)研究領(lǐng)域的科學(xué)家聚集在一起，對(duì)“阿波羅”月壤樣品進(jìn)行分析，最終寫(xiě)出來(lái)14篇論文，甚至確認(rèn)了它是來(lái)自美國(guó)航天員登月時(shí)采集的70017-291號(hào)樣品。“中國(guó)是有能力搞月球探測(cè)的！”1993年起，歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)10年的中國(guó)月球探測(cè)科學(xué)論證。

14年后，2007年“嫦娥一號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射升空。如今15年過(guò)去了，月球探測(cè)的接力棒交到了新一代年輕科學(xué)家的手中。放眼未來(lái)，到2031年之前，中國(guó)的科學(xué)家將依靠自己的衛(wèi)星帶回的月球樣品、小行星樣品和火星樣品，繼續(xù)推動(dòng)中國(guó)行星科學(xué)向世界一流邁進(jìn)。

前人栽樹(shù)，后人乘涼。老一輩科學(xué)家從無(wú)到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到精，花費(fèi)了幾代人的努力，才有了今天“嫦娥五號(hào)”的完美返回。作為科技工作者，能夠親身參與月球樣品的研究工作，對(duì)李陽(yáng)來(lái)說(shuō)，是榮譽(yù)也是責(zé)任。在科研之外，如何為中國(guó)行星科學(xué)及深空探測(cè)工程的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展培養(yǎng)后備人才，李陽(yáng)有著自己獨(dú)特的思考。“像我們平時(shí)課題組開(kāi)組會(huì)，除了討論具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者是實(shí)驗(yàn)進(jìn)展的問(wèn)題，還要討論科學(xué)研究的理想和信念。因?yàn)槔硐胄拍畈攀且粋€(gè)人做事情源源不斷動(dòng)力的來(lái)源。”

同時(shí)，李陽(yáng)非常看重學(xué)生在創(chuàng)新方面打破常規(guī)的能力。在他看來(lái)，科學(xué)研究跟著他人做是沒(méi)有太大意義的，只有敢打破常規(guī)，敢為人先，才能有新收獲。李陽(yáng)擅長(zhǎng)的微區(qū)電子學(xué)分析，在技術(shù)方法、形成機(jī)制研究方面積累了多項(xiàng)創(chuàng)新成果。“我們沒(méi)有選擇跟著任何人做，是我們自己先做起來(lái)的。現(xiàn)在國(guó)際同行對(duì)我們的工作非常認(rèn)可，我相信再過(guò)一段時(shí)間，可能也會(huì)有國(guó)際同行跟著我們的方向開(kāi)展研究工作。”

如今，美國(guó)、英國(guó)、印度、以色列等國(guó)家都在準(zhǔn)備著各自的月球探測(cè)計(jì)劃。李陽(yáng)認(rèn)為在如此激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，為中國(guó)的探月工程繼續(xù)貢獻(xiàn)力量，是每一位科技工作者義不容辭的責(zé)任和義務(wù)，他將一往無(wú)前，持續(xù)在月球研究領(lǐng)域深耕。“我期待在不遠(yuǎn)的將來(lái)做出更多更好的成果。”李陽(yáng)充滿(mǎn)自信地說(shuō)道。科

（責(zé)編：蘇寒山）