作者:冯丽妃 来源:中国科学报微信公众号 发布时间:2025/7/10 8:29:06
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开启月背“盲盒”,嫦娥六号样本研究4连发

 

7月9日,中国嫦娥六号月球采样返回任务的首批4项研究成果,以封面形式在《自然》发表。

当天,中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所(以下简称地质地球所)研究员吴福元与来自中国科学院国家天文台(以下简称国家天文台)、南京大学的合作者,纷纷收到世界各地同行的祝贺。

“衷心祝贺嫦娥六号团队及中国探月工程取得卓越成就!这些突破性成果标志着人类对月球演化史的认知取得了重大进展,有望改写教科书。”美国科学院院士、麻省理工学院教授本·韦斯说。

对此,吴福元表示:“我们首先要致敬中国航天!正是过去20多年中国航天人的努力拼搏,创造的一个个辉煌成就,才开启了中国行星探测的新局面。”

在中国科学院当天于北京举行的新闻发布会上,中国科学院副院长、党组成员何宏平说:“中国科学院高度重视嫦娥六号月球样品研究工作,发挥体系化建制化优势,全力组织科研攻关,抢占空间科学领域科技制高点。”

科研人员查看岩屑显微镜成像照片。国家天文台供图

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打开月背“盲盒”

2024年5月3日下午,嫦娥六号在海南文昌发射时,吴福元正在美国出差,与北京有15小时时差。看到发射成功的消息,他特别激动,整晚都在刷手机关注相关动态。

此前人类已有10次月球采样任务,包括美国的6次阿波罗计划、苏联的3次月球计划、中国的1次嫦娥五号任务,累计采集样品约384千克。截至2024年底,人类还收集到708块月球陨石,总重量超1750千克。

在这些样品的基础上,嫦娥六号又会带来哪些新突破?

自20世纪60年代太空任务首次实现绕月飞行以来,人们已经解构出月球形成演化的基本框架——在太阳系46亿年前形成后的约3000万年,一颗火星大小的天体撞击原始地球,产生的碎片经旋转聚集,逐渐形成了地球与月球,构成地月系统。撞击的巨大能量使早期月球处于熔融状态,熔融岩浆冷却结晶,形成今天的月球。

“这一过程可通过‘大撞击理论’和‘岩浆洋理论’解释。”吴福元在接受《中国科学报》采访时说。

然而,此前研究多基于月球正面样品与数据。岩浆洋模型能否解释月球的“二分性”,学界就此并未达成广泛共识。

月球的二分性是指月球正面与背面在地质上存在显著差异。例如,月球正面的月壳厚度约为背面的一半,月球正面还分布着约90%的月海,且产热元素浓度更高、火山活动更频繁,但导致这种差异性的原因一直存在争议。

“嫦娥六号最令人印象深刻的是,它成功在先前被认为无法到达的月球着陆点执行采样返回任务。最关键的是,它从月球背面靠近南极-艾特肯(SPA)盆地的区域带回了样本。”美国科学院院士理查德·卡尔森评价说。

嫦娥六号着陆器降落在一个“盆地套盆地”的区域。它所降落的阿波罗盆地是一个直径约500公里的撞击坑,而阿波罗盆地则处于更大的SPA盆地内部。后者直径达2500公里,超过月球直径的一半,是太阳系最大、最古老的撞击坑之一。一些研究者认为,这次巨大的撞击直接塑造了月球的二分性,但这一观点同样存在争议。

“采样点位于两个盆地内,其目标就是获取可能为最深、最具研究价值的样品,为探索月球背面演化历史奠定基础。”嫦娥六号副总设计师、国家天文台研究员李春来对《中国科学报》说。

弥补“残卷”空白

基于嫦娥六号月壤样品研究,中国科学家此次取得了多个“首创性”发现——

首次揭示月背在约42亿年前和28亿年前存在两期不同的火山活动,表明月球背面可以维持持久的火山活力;

首次获得月背古磁场信息,发现月球磁场强度可能在28亿年前发生过反弹,指示月球发电机磁场并非单调衰减而是存在波动;

首次获得月球背面月幔的水含量,发现其显著低于正面月幔,指示月球内部水分布也存在二分性;

首次发现月球背面玄武岩来自极其亏损的源区,可能指示了原始月幔的极度亏损,或源于大型撞击事件导致的熔体抽取,揭示SPA大型撞击事件可能对月球深部圈层演化产生巨大影响。

“这些研究正在彻底重塑我们对月球的认知。”英国开放大学行星科学与探测教授马赫什·阿南表示。

“轨道遥感任务有助于从整体尺度研究月球,但实验室直接测量样本的价值远超远程观测。样本返回任务更复杂且成本更高,但科学回报巨大。”美国佛罗里达行星实验室研究员斯蒂芬·埃拉尔多在同期发表于《自然》的新闻与观点文章中评述道。

中国科学院院士、地质地球所研究员朱日祥表示,这一系列研究成果被《自然》选为封面,封面语为“Lunar History”(月球历史),既说明相关研究“揭示了月球SPA盆地的演化历史”,也说明“嫦娥六号样品的返回和研究创造了月球探测和研究的历史”。

过去一年,中国科学院的科学家利用嫦娥六号样品取得了诸多科学突破。例如,揭示了样品的物理、矿物和地球化学特征;提出月球岩浆活动是月壳厚度及源区物质组成共同作用的结果,为月海玄武岩分布的二分性提供了全新认识;首次精确测定SPA盆地形成于42.5亿年前,让人类在了解太阳系早期大型撞击历史方面有了更精确的“宇宙时钟”标尺。

中国科学院院士、中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远表示,月球演化的历史图谱长期以来像一幅“残卷”——美苏样本仅揭示了月球40亿年前至30亿年前的片段。而从中国嫦娥五号到嫦娥六号的样品研究,为月球演化的历史残卷补上了关键几笔——首次填补了月球演化史的“晚年”与“童年”空白。

嫦娥五号任务从月球正面带回了迄今最年轻的月球火山岩——年龄约为20亿年。嫦娥六号样本的研究则显示,其最古老的物质年龄可追溯至42亿年前,彼时月球仅形成了2亿至3亿年。欧阳自远表示,这些研究让中国科学家率先解开了“月球研究中‘一老’与‘一新’两大核心问题”。

“像打仗一样攻坚”

2023年5月,早在嫦娥六号发射前一年,地质地球所就组建了嫦娥六号工作组,采取自愿参与学科整合的组织方式成立了核心团队。“那时候,基本上每周就要开一次讨论会,邀请专家到所里座谈、作报告。”吴福元介绍说,通过持续研讨,研究团队梳理出20余个关键研究问题,每个问题明确专人负责,形成“有组织、有目标”的攻坚模式。

2024年8月24日,当嫦娥六号样品分发后,地质地球所第一时间展开攻关。收到样品后的第16天,各个团队完成的玄武岩测年、岩石学、地球化学、磁学、稀有气体等首批6项成果已纷纷投稿。

“像打仗一样攻坚,才能在最短时间内拿出高质量成果。”吴福元说,“从国际层面看,国际学术界对嫦娥六号的研究成果满怀期待。从国家发展角度说,中国正处于科技赶超、爬坡过坎的关键阶段,在深空探测这类前沿领域,我们必须以更快速度突破,才能跟上甚至引领国际步伐。”

在嫦娥六号任务中,国家天文台承担了从科学目标设计、着陆点选址,到载荷指令上行、数据接收处理,再到样品解封、制备、分析的全链条工作。

“中国探月工程的成功是科学与工程深度融合的范例。”李春来在接受《中国科学报》采访时说,“没有工程技术,科学发现无从谈起;而科学问题又指导工程优化,如采样点选择直接影响成果价值。”

中国科学院广州地球化学研究所工程师崔泽贤表示,目前发表的嫦娥六号相关研究,不仅为月球演化历史研究提供了新的视角,还揭示了月球背面火山活动和太空风化的特点,为未来月球探测和科研站建设提供了重要参考。

形成“中国行星学派”

尽管多项成果填补月背研究空白,但多位专家学者表示,嫦娥六号月球背面样品仅揭开月球奥秘的一角,实现月球演化历史认知的突破仍任重道远。

吴福元说,尽管我国行星科学研究水准显著提升,但未来仍需走出一条自主道路,创建“中国的月球研究学派”,形成自己的思路与特色。这意味着未来行星科学发展应注重“后发优势”。首先,技术突破是关键支撑,应利用我国在仪器载荷、地球化学分析、离子探针等方面的技术积累,为快速产出成果奠定基础;其次,应聚焦关键核心问题,集中力量突破,而非“东敲西打”,跟着国外的研究热点走;此外,在目前基础上,进一步结合物理学、工程学等多领域方法,加强跨学科融合。

“比如,嫦娥五号与六号样品的力学性质差别很大。打开储存瓶前者会飞走;而后者黏性较大,不会飞走。这说明它们在物理性质上存在不同。”吴福元举例说,目前推测这种差异可能与矿物和颗粒度有关,但尚未完全解开谜题。相关研究对于下一步建立月球基地、利用月壤进行3D打印等具有重要的实际意义。

行星科学正成为地球科学的新生长点,人才是推动这一前沿学科发展的重要支柱。吴福元介绍,地质地球所早在2003年就开始布局这一学科,2017年在中国科学院大学设立地球与行星科学专业。南京大学教授惠鹤九表示,2021年南京大学与地质地球所共建“行星科学科教融合中心”,开启科研与教育的全面合作,目前已联合培养了一批年轻科研人才,为我国行星科学发展储备了重要力量。

如今,中国行星科学发展路线图已经绘就——2030年前后,实现载人登月,建立月球基地;2050年前后,载人从月球基地飞向更远的行星,具备载人登火星能力。“地月同源,通过探月工程,我们将从月球这一中继站走进苍穹和宇宙,开创行星科学新的时代。”中国科学院院士王赤说。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09131-7

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08382-0

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08870-x

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08526-2

《中国科学报》(2025-07-10 第1版 要闻)
 
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