嫦娥六號(hào)：發(fā)現(xiàn)月背的真實(shí)面貌

2024年5月3日，嫦娥六號(hào)探測(cè)器由長(zhǎng)征五號(hào)遙八運(yùn)載火箭從海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，并成功抵達(dá)月球南極- 艾特肯盆地（South Pole Aitken ， 簡(jiǎn)稱(chēng)SPA）中的阿波羅環(huán)形山著陸區(qū)，進(jìn)行為期53天的月球背面采樣任務(wù)，它的成功引發(fā)了全世界的廣泛關(guān)注。自2007 年探月衛(wèi)星嫦娥一號(hào)發(fā)射至今，中國(guó)探月工程為我們帶來(lái)一次又一次的驚喜。

和之前在月球正面實(shí)現(xiàn)軟著陸的嫦娥五號(hào)類(lèi)似，嫦娥六號(hào)在月球背面也實(shí)現(xiàn)了軟著陸。它是人類(lèi)歷史上第二個(gè)在月球背面實(shí)現(xiàn)軟著陸的航天器（第一個(gè)軟著陸的是嫦娥四號(hào)，第一個(gè)硬著陸的是因失事墜毀在月背的美國(guó)徘徊者4 號(hào)），不僅著陸之后又重新起飛返回地球，還帶回了人類(lèi)第一次在月球背面采集的土壤樣品。這些樣品將揭示月球背面的地質(zhì)構(gòu)造、月球的演變過(guò)程，甚至?xí)l(fā)現(xiàn)新的礦物?？戳松鲜鲂畔?，你也許會(huì)有這樣的疑惑：人類(lèi)都探索月球這么久了，為什么才第一次采集到月球背面的土壤樣品？為什么以往的探月任務(wù)都會(huì)避開(kāi)月球背面？回答這些問(wèn)題，得先從月球背面的特殊狀況說(shuō)起。

月背究竟有多神秘？

“人生代代無(wú)窮已，江月年年望相似。”我國(guó)古人很早就意識(shí)到了能看到的月球始終只有一面。造成這一現(xiàn)象的直接原因是地球潮汐鎖定。當(dāng)月球自轉(zhuǎn)的周期與圍繞地月質(zhì)心的公轉(zhuǎn)周期相同時(shí)，人類(lèi)只能看到它的正面。以甩鏈球?yàn)槔?，?dāng)一個(gè)人牽著鏈球的繩索原地旋轉(zhuǎn)，使鏈球做離心運(yùn)動(dòng)時(shí)，以地面為參考系，鏈球繞著人做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行自轉(zhuǎn)。當(dāng)鏈球轉(zhuǎn)完一圈，回到原來(lái)的位置，它的自轉(zhuǎn)也正好剛滿(mǎn)一圈。在這個(gè)過(guò)程中，只有一面會(huì)一直朝向人。

月背究竟有多神秘？

“人生代代無(wú)窮已，江月年年望相似?！蔽覈?guó)古人很早就意識(shí)到了能看到的月球始終只有一面。造成這一現(xiàn)象的直接原因是地球潮汐鎖定。當(dāng)月球自轉(zhuǎn)的周期與圍繞地月質(zhì)心的公轉(zhuǎn)周期相同時(shí)，人類(lèi)只能看到它的正面。以甩鏈球?yàn)槔樱?dāng)一個(gè)人牽著鏈球的繩索原地旋轉(zhuǎn)，使鏈球做離心運(yùn)動(dòng)時(shí)，以地面為參考系，鏈球繞著人做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行自轉(zhuǎn)。當(dāng)鏈球轉(zhuǎn)完一圈，回到原來(lái)的位置，它的自轉(zhuǎn)也正好剛滿(mǎn)一圈。在這個(gè)過(guò)程中，只有一面會(huì)一直朝向人。

盡管月亮只有一面朝向我們，這并不意味著月背沒(méi)有任何光照。在月球自轉(zhuǎn)的條件下，月球各個(gè)地方都會(huì)被太陽(yáng)照到。月球正面除了有太陽(yáng)提供光照，還有來(lái)自地球的反射光源，所以正面接收的太陽(yáng)輻射會(huì)比背面的更多。

地球上的人類(lèi)真的永遠(yuǎn)看不到月球的背面嗎？其實(shí)我們能看到的不止是半（50%）個(gè)月亮。由于太陽(yáng)引力、月球的公轉(zhuǎn)軌道是橢圓形軌道、月球赤道與公轉(zhuǎn)平面有6.7°的夾角、觀測(cè)者的視角受地球自轉(zhuǎn)變化等諸多因素的影響，我們看到的月球表面其實(shí)比想象的范圍要大——我們最多能看到月球表面的59%，這種現(xiàn)象我們稱(chēng)之為月球的天平動(dòng)。直到人類(lèi)進(jìn)入了航天時(shí)代，月球背面的一些細(xì)節(jié)才逐漸被人所知。1959年，蘇聯(lián)的月球三號(hào)探測(cè)器第一次拍攝到了月球背面的照片，讓人類(lèi)第一次了解到月背的地質(zhì)狀況。但受到技術(shù)和資金的限制，再加之月背的航天通信受到阻擋、月球遠(yuǎn)端的導(dǎo)航信息缺乏，在此后的幾十年里，人類(lèi)對(duì)這片神秘區(qū)域的了解少之又少。直到2004年，中國(guó)探月工程（亦稱(chēng)嫦娥工程）正式啟動(dòng)，我們中國(guó)人開(kāi)始了對(duì)月球的全方位探索，當(dāng)然也包括月球背面。

阿波羅盆地：月背地質(zhì)變遷的標(biāo)本

與月球正面不同，月球背面有將近97.5% 的區(qū)域都是環(huán)形山和撞擊坑，地表的粗糙程度和地形起伏程度遠(yuǎn)高于正面。這些環(huán)形山都是月球?yàn)楸Ｗo(hù)地球免受隕石撞擊所留下來(lái)的產(chǎn)物。有這么多的環(huán)形山，為什么科學(xué)家會(huì)將著陸點(diǎn)選定在南極- 艾特肯盆地的阿波羅環(huán)形山呢？

南極- 艾特肯盆地是太陽(yáng)系最大最古老的盆地之一。在這個(gè)盆地內(nèi)，分布著許多小天體撞擊月面留下的撞擊坑，較為有名的包括奧本海默環(huán)形山、阿波羅環(huán)形山以及嫦娥四號(hào)的著陸地——馮· 卡門(mén)環(huán)形山。這個(gè)盆地大致是一個(gè)492 萬(wàn)平方千米的橢圓形，深約13 千米，約占月球表面積的12%。它的形成大約是在43 億至45 億年前——一次猛烈的撞擊，在該地區(qū)造成了大量熔融物質(zhì)和濺射物堆積，形成了現(xiàn)在非常明顯的黑色熔巖“海洋”。在這次撞擊事件中形成的大型撞擊盆地對(duì)月殼、月幔的結(jié)構(gòu)和組成產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，月殼和月幔的物質(zhì)濺射到撞擊坑周邊，那里是研究月殼和月幔的理想?yún)^(qū)域。而阿波羅環(huán)形山無(wú)疑是其中的典型代表。

阿波羅環(huán)形山位于大盆地的東北部，除了有幾個(gè)較大的平原，月面地勢(shì)起伏較大，內(nèi)部還有數(shù)個(gè)撞擊坑，地質(zhì)環(huán)境非常復(fù)雜。與月面其他地方相比，阿波羅盆地大概是月殼最薄的地方了。它獨(dú)特的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和土壤成分讓嫦娥六號(hào)最終選擇在這里進(jìn)行月壤采樣。人類(lèi)通過(guò)這些月壤樣品，不但可以分析月球表面的土壤成分，還能了解月球形成初期隕石撞擊對(duì)月球的影響，以及推測(cè)月幔的成分和地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

南極- 艾特肯盆地在月球地質(zhì)演變史中具有很重要的地位。近期，以歐陽(yáng)自遠(yuǎn)院士為首的中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)表了1∶250 萬(wàn)的全球首個(gè)高精度全月地質(zhì)圖，展現(xiàn)了極為詳細(xì)的月球地質(zhì)演化信息。這份高精度地質(zhì)圖開(kāi)創(chuàng)性地將月球的地質(zhì)年代劃分為了“三宙六紀(jì)”。其中的艾肯紀(jì)以南極- 艾特肯盆地的名字命名。從月球年代學(xué)的角度來(lái)看，南極- 艾特肯盆地形成于月球巖漿洋凝固、月球剛形成月殼的年代，是月球由內(nèi)部動(dòng)力（巖漿運(yùn)動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造）向內(nèi)外動(dòng)力（太陽(yáng)輻射、小行星撞擊） 轉(zhuǎn)變的重要時(shí)間點(diǎn)， 標(biāo)志著月球艾肯紀(jì)的開(kāi)始。月球地質(zhì)圖顯示，阿波羅盆地是典型的艾肯紀(jì)盆地構(gòu)造，這片區(qū)域可能分布著月球上最古老的巖石。此前美國(guó)的阿波羅計(jì)劃、蘇聯(lián)的月球號(hào)探月計(jì)劃和嫦娥五號(hào)采集的樣品均來(lái)自月球正面，地質(zhì)年齡大都在20 億年至30 億年前，嫦娥六號(hào)采集到樣品的地質(zhì)年齡也許將遠(yuǎn)超之前樣品的地質(zhì)年齡。從這里采集的月壤樣品能更好地幫助我們了解艾肯紀(jì)的地質(zhì)變遷史。

挖掘月背的“土特產(chǎn)”：月壤里究竟有什么？

縱觀60多年的人類(lèi)探月之旅，美國(guó)通過(guò)阿波羅計(jì)劃先后6 次共帶回了381.7 千克月壤，蘇聯(lián)通過(guò)3次月球號(hào)任務(wù)共帶回了326克月壤，中國(guó)嫦娥五號(hào)帶回了1731克月壤，嫦娥六號(hào)帶回了1935.5克月壤。你是不是感到好奇，人類(lèi)不惜代價(jià)從月球帶回月壤究竟有多大的價(jià)值呢？月壤里究竟有什么？

月壤有幾十米厚，土壤結(jié)構(gòu)松散，顆粒平均大小約為100微米。由于其顆粒過(guò)細(xì)，又被稱(chēng)為月塵。通過(guò)顯微鏡觀察，你可以發(fā)現(xiàn)月壤大致是一些巖屑、角礫、粉末，有時(shí)候我們甚至能發(fā)現(xiàn)小顆粒的火山灰，說(shuō)明它們都是在早期火山巖漿運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的，而這些由火山產(chǎn)生的黑色玄武巖在強(qiáng)烈的風(fēng)化和地表巨大的溫差作用下分崩離析，最終形成了這種松散的土壤。

從化學(xué)的角度來(lái)看，月壤的礦物成分包括斜長(zhǎng)巖、鈦鐵礦、赤鐵礦、二氧化硅等，化學(xué)元素含量比例最高的幾種元素是氧、硅、鐵、鈣、鋁、鎂等。其中鐵元素是含量第一的金屬元素，這也就是為什么月面的顏色呈現(xiàn)灰色。這些元素在地球上都存在，從另一方面證明了地球與月球物質(zhì)的統(tǒng)一性，但并不能證明月球來(lái)自地球。

月壤對(duì)于人類(lèi)而言是無(wú)窮無(wú)盡的寶藏。以嫦娥五號(hào)從風(fēng)暴洋帶回的樣品為例，中國(guó)科學(xué)院在研究月壤的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了月壤含有天然的玻璃纖維，證明了人類(lèi)在月球上能夠就地取材加工生成玻璃材料，有利于人類(lèi)未來(lái)在月球建立基地。氦的同位素氦-3也是人們從月壤中發(fā)現(xiàn)的，與地球相比，月球上的氦-3存儲(chǔ)量大得驚人。月球沒(méi)有大氣層和磁場(chǎng)的保護(hù)，太陽(yáng)風(fēng)能直接到達(dá)地表，所以氦-3就隨著太陽(yáng)風(fēng)沉積在月壤中。氦-3是人類(lèi)未來(lái)開(kāi)發(fā)可控核聚變技術(shù)的理想能源材料，清潔高效。月球上的氦-3 能滿(mǎn)足人類(lèi)上萬(wàn)年的能源消耗，是中國(guó)未來(lái)運(yùn)營(yíng)駐月基地的理想能源之一。

嫦娥六號(hào)采樣地阿波羅盆地富含蘇長(zhǎng)巖、斜長(zhǎng)巖。蘇長(zhǎng)巖在以前的月壤樣品中少有，它可能是來(lái)自月幔的物質(zhì)，也有可能是從巖漿洋紀(jì)到艾肯紀(jì)階段的巖漿冷卻分層留下來(lái)的物質(zhì)。人們可以通過(guò)這些月壤來(lái)揭露更多科學(xué)奧秘。此外，月球南極附近的永久陰影區(qū)可能存在大量水冰物質(zhì)，雖然挖掘水冰物質(zhì)是嫦娥七號(hào)的使命，但如果能提前找到水冰樣品，那將有助于人類(lèi)更早在月球上駐扎。

此次嫦娥六號(hào)挖掘月壤后出現(xiàn)了一個(gè)很有趣的現(xiàn)象：采集后的月面竟然呈現(xiàn)出一個(gè)大大的“中”字?？蒲腥藛T稱(chēng)這只是一個(gè)巧合，他們前六次采樣都是按順序依次采集的，后兩次對(duì)樣本動(dòng)態(tài)調(diào)整才導(dǎo)致了“中”字的出現(xiàn)。

本來(lái)他們還要多鏟幾處，沒(méi)想到在第八鏟后容器已經(jīng)滿(mǎn)了。這大大的“中”字，是中國(guó)人追逐星辰大海、見(jiàn)證中國(guó)航天事業(yè)崛起的紀(jì)念碑。

通過(guò)這一次的探月之旅，科學(xué)家肯定能挖掘月壤的更多價(jià)值，很可能發(fā)現(xiàn)更多關(guān)于月背的秘密。