月壤密码

月球表面

苏联工程师在调试“人造地球卫星一号”。

12 月17 日，在中国航天科技集团五院，科研人员打开嫦娥五号返回器舱门，取出装有月球样品的容器并进行称重。

月壤可以称得上是世界上“最贵的土”。美国的登月计划耗费了250多亿美元，而苏联同样为获取月壤耗资不菲。花了这么大代价万里迢迢带回来的这些月球岩石与土壤，究竟有怎样的研究价值？

撰稿｜阿　晖

1731克！嫦娥五号探测器从荒凉的月球表面挖土，带回了一份弥足珍贵的月球“土特产”，首次实现了我国地外天体采样返回，使我国成为世界上第三个从月球取回样品的国家。随着这些月面样品被正式交接给中科院国家天文台，嫦娥五号任务由工程实施阶段正式转入科学研究新阶段。

早在上世纪，美苏两国已经用耗资巨大的月球计划，带回过一批月壤样本，但中国的嫦娥五号这次带回的月球样本，依然引起了全球航天界和科学界的高度关注，毕竟这是自1976年8 月18 日后，人类时隔44 年再次带回遥远月球的月面样本。

这些从38 万公里外带回地球的土壤和岩石中，究竟隐藏着怎样的奥秘？

美苏太空争霸曾想“炸月球”

说起月壤，就不能不提到上世纪美苏太空争霸的月球探测计划。

1957 年10 月4 日，苏联将世界上第一颗人造地球卫星送入轨道。在此之前美国一直认为他们在科技领域领先于苏联，而卫星的潜在军事价值更令美国人担心。美国发誓要反击。美苏太空竞赛的大幕就此拉开。

第二年1 月，美国的第一颗人造地球卫星探险者1 号终于发射升空。这颗小卫星使美国挽回了一些面子。但同年5 月，苏联又成功地发射了飞船。1959 年，苏联月球1 号探测器发射，它是世界上第一个摆脱地球引力的飞行器；后来的月球2 号成为第一个到达月面的人造物体；月球3 号拍摄了第一批月球背面照片。到1965 年底，苏联科学家科罗廖夫已领导发射成功9个月球探测器、4 个金星探测器和两个火星探测器。

1959-1966 年，在美苏两国白热化的月球竞赛中，苏联人一度占尽优势，它的探月活动总是与一连串的“第一次” 联系在一起:第一次实现探测器从月球近旁飞过，第一次实现硬着陆，第一次拍摄到月球背面的照片，第一次实现月面软着陆，第一次成功发射了环月飞行的月球卫星，第一次获得月壤数据等。

在1961 年4 月12 日，苏联空军少校尤里·加加林乘坐“东方号” 飞船进入太空，成为世界上第一位宇航员后，美国人把目光瞄向了载人环月飞行，随后“阿波罗”载人登月计划启动。

经过几次不载人的地球轨道飞行，1968 年12 月24 日，阿波罗8 号飞船乘员组进行了绕月飞行，美国第一次赶在苏联前面在探月的里程碑上刻下了自己的名字。随后，就是1969年7 月21 日美国宇航员阿姆斯特朗从阿波罗11 号释放到月球的登陆舱上走向月球的“人类的一大步”。但是苏联绕月飞船还没来得及载人，就过早夭折了。

从1969 年至1972 年底，美国共发射了七艘载人飞船进行登月飞行，除了阿波罗13号因中途产生的故障而被迫返航之外，其余6 次都获得了成功。宇航员在月面不仅带回了月球土壤和岩石样品，还实地拍摄了月面照片，初步揭开了月球的真实面貌。

从1958 年苏联启动无人月球探测计划，到1974 年最后一次发射月球探测器，先后发展了三代无人探测器，从简单进行月球拍照到自动采取月球样品返回地球，再到月球巡视车考察。其中月球-16 号首次取回了一块101 克的月面小样本，其后的月球20 号探测器和月球24 号探测器则分别采集到了55 克与170 克样品。

在这段人类第一次探月热潮中，人们仅在月球正面约占全月面积5% 的区域的9 个地点取样返回，月球车在月球正面巡视勘察最远距离仅37 千米，对月球的认识还比较有限和肤浅。

耸人听闻的是，北京大学地球与空间科学学院教授焦维新在其《月球文化与月球探测》一书中曾提到，“美苏都想用原子弹炸月球”。据说美国学者希望用这种方式让月面产生的抛射物能穿透地球的大气层到达地球表面，而苏联的方案里是希望让遥感仪器分析爆炸时月壤的蒸汽，获得月壤以及月球表面成分的信息。好在这些疯狂的方案设想最终都未能付诸实施。

冷战时期的太空争霸，美国和苏联分别以有人和无人的方式各自为地球带回了月壤，由此开启了地球探月的新纪元。然而随着1976 年8 月18 日苏联的月球24 号探测器最后一次采集月球样本定格，世界已经 44 年之久再无更新月壤样本，直到这次中国嫦娥五号返回舱的归来。

月壤蕴含“宝藏密码”

月壤可以称得上是世界上“最贵的土”。美国的登月计划耗费了250 多亿美元，而苏联同样为获取月壤耗资不菲。花了这么大代价万里迢迢带回来的这些月球岩石与土壤，究竟有怎样的研究价值？

对天文物理学家和行星科学的研究者来说，月壤包含了丰富的月球本身、月面空间天气环境、太阳系小天体、宇宙辐射等的丰富信息。由于月球上没有大气层，月球上的岩石和土壤受到的风化侵蚀主要来自太阳风和宇宙粒子辐射，它们还受到昼夜交替太阳光照带来的热膨胀与收缩作用，以及频繁的陨石撞击，给月球表层土壤带来了新的天外物质补充。对于月壤的研究，使人类对月球乃至于整个太阳系的了解大大加深，为人们认识月球与太阳系天体的物理性质甚至起源提供了非常重要的信息。

这些来自月球的物质还可以帮助研究人员更精准地确定地球、火星和水星等行星表面的年代。中国科学院空间应用工程与技术中心研究员，中国载人航天工程运行与管理支持中心应用发展中心主任张伟透露，月球形成的“撞击假说” 认为，它形成于一次地球与一个火星般大小的天体撞击所产生的碎片。月球保存了最早期地球的一些性状。地球也遭受过很多撞击，但是后面由于地质作用都破坏掉了。而在月球上，很多撞击历史都被完整保持了下来，“我们探索月球，去找它的撞击历史，实际上是想认识月球的起源和演化，从而推演地球的起源和演化，进而推出太阳系的起源和演化”。

中国的嫦娥三号于2013 年12 月在月球上软着陆，通过对月球土壤的着陆探测研究，发现了有别于阿波罗任务采样的新的月表矿物; 同时，进行了雨海地区分层结构研究，重新认识了该地区多期次玄武岩活动特征。嫦娥四号则于2019 年1 月成为世界上首次在月球背面软着陆的探测器，通过对月球土壤的着陆探测分析，深化了对南极艾肯盆地的撞击形成过程和下月壳甚至上月幔物质组成的认识。而这次嫦娥五号采集的样品，可以填补科学家对月球火山活动理解上的一个重要空白。

其实，对于月壤的研究价值，除了知道星球的活动和起源等，一种重要的元素也是多次嫦娥计划的主要目的，那就是氦-3。

氦-3 在宇宙中比较常见，它从恒星里产生出来，然后作为一种宇宙射线释放到太空中。地球上的氦-3 不多，但是月球上却是多得很，主要来自太阳风。氦-3 的核聚变会释放出强大的能量，但不产生有害的放射性中子，被科学家认为是最理想的一种清洁能源。多年前，中国科学院院士、中国月球探测计划首席科学家欧阳自远曾多次在上海科协举办的科普报告会上透露，月球上的氦-3 在月球上大概有100 万-500 万吨，这将是人类社会长期稳定、安全、清洁、廉价的可控核聚变的能源原料，可供人类上万年的能源需求。当然，按照月球表面氦-3 的平均浓度，至少要在150 吨月球土壤里才能提取到1克氦-3，要实现开采还有很长的路要走。

此外，研究月壤也是为建立月球基地做准备，这是登陆火星的跳板。此前对月壤的新的研究发现表明，月壤尽管缺少水，但在1 吨月壤中平均含有6 个矿泉水瓶的水可供提取使用。嫦娥五号着陆器采集的月球土壤将为评估其着陆区域月壤中水的含量提供直接的依据。进一步地，可以使用地球火山灰模拟该采样的月壤，搭建环境场所，为未来月面长期驻扎探测提供研究测试和训练。这项月壤仿真和应用研究在我国也已经开展了多年。

中国取得的月壤更“年轻”

嫦娥五号任务，首次实现了探月器于月球表面完成自动化、无人化采样。中国航天科技集团所属中国空间技术研究院的设计师采用表钻结合、多点采样的方式，实现了月球采样钻取和表取两种“挖土” 模式。

“在月球表面钻探取样获得岩芯，这是最大的期待之一。”行星科学专家、中国科学院国家天文台研究员郑永春博士表示，“岩芯是一层一层堆积起来的，记录着月壤不断翻转、掩埋、堆积的过程，而我们只有通过岩芯样品才能更好地知道月壤形成过程。” 上一次月球钻探取样已经是在上世纪六七十年代美国“阿波罗” 登月计划时期了，深度也尚浅。

更关键的是，之前带回的月球样品，大多来自月球正面中低纬度的月海区域，形成年龄集中在32 亿-42 亿年前，而嫦娥五号此次是在月球上最大的月海——风暴洋北部的吕姆克山脉附近降落并实施采样，这个地区形成年龄大概是10 亿-20亿年前。过去，从未有人类或是探测器到访此处。

换句话说，40 多年前美国阿波罗计划和苏联探测器采集的月球样本大多是形成于30 亿到40 亿年前的岩石，而嫦娥五号采样区域地质年代较短，岩石更“年轻”。 这无疑将填补月球地质定年的一大空白。通过研究这些样品，科学家可以反演出这一区域的形成过程，进而增进对月球成因、演化历程的科学认知。

美国布朗大学地质科学教授詹姆斯·黑德认为：“嫦娥五号在月球表面的着陆区是月球最值得探索的区域之一，研究这个区域可以帮助科研人员确认10 亿至20 亿年前月球是否仍处于活火山状态。”

此前在美苏获取的月壤样本中，科学家们就已经针对月球表面活动等研究取得重大进展，而嫦娥五号带回来的样本则有可能带来更多探索月球的价值，改写月球历史。

中国愿合作共享月壤数据

1978 年5 月，时任美国总统卡特的国家安全事务顾问布热津斯基访问中国，赠送给中国一块仅有一克重的月球岩石样品。国家决定一半用于科研、一半向公众展出。这份真正来自月球的礼物被当时正在开展行星科学研究的欧阳自远视若珍宝。拿着0.5 克样品，欧阳自远和全国各实验室的同事们用了4 个多月发奋研究，很快就发表了14 篇论文。那时，欧阳自远的梦想就是能有一块中国自己采回来的月壤。

从年轻的科研人员到白发苍苍的老院士，中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远，终于圆了这个梦。欧阳自远回忆：“当年把样品取回来后看到，这是一块装在有机玻璃里面的小石头，美国人在上面做了一个放大镜，用放大镜看像大拇指一样大，但实际只有黄豆一般大小。”他说：“仅研究这0.5克石头，我们就组织了全国十几家研究所的科研人员，在各方面共同努力下，破解了陨石中包含的物质元素隐藏的所有身份密码。”

其实，当时美国把这样的标本，分给了全球135 个主要国家和地区，还有自己的50个州和海外领地。表面上美国打着“全人类共享月球” 的旗号赠送月球标本，可实际上，总共送出去的标本才6.75 克。

嫦娥5 号刚升空没多久，美国宇航局（NASA）迫不及待地发出一条推文表示：希望中国能够分享嫦娥5 号月球样品研究成果，就像美国当年阿波罗号计划那样。美国已经有这么多月壤标本，为什么要提出对于中国取得的月壤进行分享？无疑，中国此次取得的月面标本，研究价值非常高。

不过在12 月17 日国务院新闻办公室召开新闻发布会上，当美国记者问到中方是否会将月球土壤数据分享给美国NASA时，我国航天局给出明确回应：这其实并不是由中方能决定的。

原因很简单。美国在2011 年通过了“沃尔夫条款”，明确限制NASA、美国国务院科学委员会等机构与中国航天科技产生“交集”、往来。所以美国NASA 要想与中国合作，并不取决于中国的态度，而是要美国上下能否达成共识。做到平等互利、合作共赢。潜台词很明确，美国NASA 若绕不开“沃尔夫条款” 的束缚，不是中国不愿与NASA 合作、共享信息，而是美国自己把合作的路给“堵死了”。

当然，我国航天局的表态也很明确：我国会遵守联合国《外空条约》，认同外空资源是属于全人类的财富。毫无疑问，这一次带回来的2 公斤月球土同样属于全人类。中国愿意与任何志同道合的国家与机构合作，并且共享月球土壤样本和探月过程中产生的数据。