阿波罗11号登月秘密(十一):月球岩石样本是"时间胶囊"?

2019-07-21 07:54:56 来源: 知否 举报
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(原标题:Apollo moon rocks help us understand our place in the cosmos)

编者按:1969年7月16日,宇航员尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)、巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)和迈克尔·柯林斯(Michael Collins)从位于美国佛罗里达州的NASA肯尼迪航天中心的39A发射台起飞,踏上了月球之旅,同时也被载入史册。四天后,阿姆斯特朗和奥尔德林将阿波罗11号登月舱“鹰”号降落在月球上的静海,成为首次踏上月球表面的人类。

今年是阿波罗11号登月任务50周年,网易科技《知否》栏目组特别推出“你不知道的登月秘密”系列文章,一起回顾人类探月进程中那些鲜为人知却值得纪念的瞬间。

今天推出系列文章第十一篇《阿波罗11号登月秘密(十一):月球岩石样本是"时间胶囊"?》。

更多精彩内容请关注纪念专题:“人类登月50年”

作者 | 小小

出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163)

阿波罗11号登月秘密(九):月球岩石样本是时间胶囊?在美国华盛顿特区海军研究实验室明亮的白色房间里,放着一个透明的塑料箱子,里面装满了来自太空的碎片。这些碎片是从南极冰中发现的陨石,以及被认为比太阳系形成更早的物质颗粒。这些都是宝贵的财富,可以帮助我们人类了解自己在宇宙中的位置。

地质学家凯特·伯吉斯(Kate Burgess)从箱子里取出一件宝物,一个很小的特氟隆瓶,它用双层特氟隆袋包着。这里面包含了1972年阿波罗17号宇航员从月球上收集的月壤。在很长一段时间里,这些月球上的尘埃都没有受到干扰,只是曾暴露在超高的太空辐射之下。

当伯吉斯用非常强大的电子显微镜观察这个样本时,可以看到原子的大小,她正在寻找暴露在这种辐射水平下下如何改变月壤颜色的证据。这听起来像是无聊的科学,但实际上它在为一个伟大的、甚至是美丽的想法服务。

阿波罗11号登月秘密(九):月球岩石样本是时间胶囊?图1:地质学家凯特·伯吉斯(Kate Burgess)站在电子显微镜旁边,后者可以在原子尺度上解析图像

伯吉斯正在努力使月球岩石成为更大宇宙的参考指南。她正在调查有多少月壤的颜色来自其组成成分,又有多少来自太空风化作用。她说,弄清这一点将有助于确定望远镜发现的太空天体的构成,比如小行星。

通过这种方式,月球样本成了我们和太空之间的纽带,帮助我们更深入地了解它们,并理解我们的发现。对于行星科学家来说,对月球样本的研究是无价的。与地球不同,月球自形成以来变化不大,这使得它成为“时间胶囊”,一本关于地质学的“创世纪”。

阿波罗11号登月秘密(九):月球岩石样本是时间胶囊?图2:这个小瓶里月壤含量很少,但其科学价值却无法估量

科学家们仍在研究阿波罗登月时取回的月球样本,但是现在人们对把人类送回月球以便进行更多探索重新产生了兴趣。特朗普总统希望美国宇航局在2024年前重返月球,行星科学家们对有机会研究月球南极以及月球背面的岩石垂涎三尺。

在这个时间点上,重返月球是否值得付出这么大的代价存在很多争议。但许多行星科学家们都表示,至少这将带来重要的科学成果。这是因为,月球岩石会讲述关于我们在宇宙中位置的不可思议的故事。我们收集的样本越多,理解的东西就越多。

为何月球对行星科学如此重要?

登月涉及到很多事情:在50多年前的太空竞赛中,美国为了击败苏联,解决了把人类送上月球表面的工程难题,这是为了迎接挑战而进行的挑战。但它们也与地质学有关。在六次登月过程中,宇航员们共带回了约382公斤的月球岩石、卵石和月壤。

毫不夸张地说,这些样本改变了我们对太阳系的认识,改写了它的历史。罗格斯大学的行星科学家朱利安·格罗斯(Juliane Gross)说:“在阿波罗计划之前,我们真的不知道月球是如何形成的。”

研究地质学就是研究历史,但是地球正在不断地抹去它的旧地质记录。格罗斯称:“地球是个巨大的回收机器,这里有风雨雷电,几乎所有岩石都风化了。我们星球的地壳处于动态状态,我们的大陆在漂浮、移动和变化。古往今来,随着大陆相互碰撞,岩石被回收、重熔和改造。而另一方面,月球却不会抹去它的历史。除了小行星撞击外,月球自形成以来几乎没有太大变化。这使它就像时间胶囊,记录下我们太阳系的历史,月球岩石就像是个大宝藏。”

在成长的过程中,格罗斯曾梦想成为宇航员,但最终由于她易患晕动病而放弃了这个梦想。她说:“与这些岩石打交道,这是我能做的最接近宇航员的工作了。”但她和同事们不是在探索太空,而是在探索时间。格罗斯称:“月球地壳基本上就像是地质档案,我们需要学习如何解读和阅读这些档案。其中最重要的地方就在于地球和月球最初是如何形成的。”

月亮岩石讲述了创世故事

阿波罗11号登月秘密(九):月球岩石样本是时间胶囊?图3:1972年阿波罗16号宇航员带回的月球岩石

1972年,阿波罗16号宇航员带回了重约2公斤的月球岩石样本,它主要由斜长石构成,斜长石是由熔融岩浆形成的岩石。像这样的岩石构成了月球外壳的大部分。这向科学家们表明,月球形成之初经历了非常猛烈的开始。

大约45亿年前,当太阳系还处于婴儿期时,它是个比现在混乱得多的地方。就在那之前不久(从宇宙的角度来说),太阳爆发了,它把巨大的气体球中的氢原子熔合起来,点燃了一堆火,一直燃烧到今天。那颗年轻的恒星仍然被碎片包围着,这些碎片相互聚合,相互撞击,最终形成了行星。

大约在这个时候,地球(或更像地球的前身)被另一颗可能有火星大小的行星撞击。由此产生的大灾难将两个世界融合在一起,形成了我们如今的地球。碰撞的力量将物质从两个天体中喷射出来,这些物质融合后形成了我们的月球。早期的月球被岩浆海洋所覆盖,这些岩浆沉淀下来并冷却成我们今天所知道的形式。

阿波罗11号登月秘密(九):月球岩石样本是时间胶囊?图4:月球形成过程

从这个意义上说,地球和月球实际上就像孪生兄弟。但是,一块毫不起眼的古老白色岩石却让我们对这一切产生了怀疑。

理由很简单:斜长石的密度不大。当岩浆海洋冷却时,这种矿物会出现在岩浆海洋表面。行星科学研究所资深科学家达比·戴尔(Darby Dyar)说,月球形成时,斜长石“实际上升到了月球表面,并开始形成地壳”。

阿波罗11号登月秘密(九):月球岩石样本是时间胶囊?图5:月球内部构造

科学家们仍在争论这一假说的细节。但这听起来似乎是合理的,因为地球和月球基本上是由相似物质构成的,这表明的起源似乎也差不多。而且在它们形成的时候,这种物质是熔融的,可能源于撞击时的巨大威力。但这只是月球岩石故事的开始。

月球地壳“档案”的很大一部分是其陨石坑,科学家们已经能够使用阿波罗的样本来精确地确定这些陨石坑的年代。月球上的变化比地球小得多,但这并不意味着它没有任何变化。小行星一次又一次地撞击它,导致了我们在夜空中可以看到月球坑坑洼洼的表面。这些陨石坑讲述了地球和月球形成后太阳系所发生的故事。

通过测定月球陨石坑的年龄,我们可以测定其他地方陨石坑的年龄。陨石坑越大,形成的时间就越早,因为在更久远的年代,更大的碎片块也更常见。戴尔说:“现在我们有个美丽的太阳系撞击史。”其他行星上也有陨石坑,比如水星。有了来自月球的参考信息,我们现在知道了水星陨石坑的年龄。

了解了月球陨石坑的年龄后,我们得出了另一个惊人的假设:太阳系最外层的行星——木星、土星、天王星、海王星,在它们的形成过程中曾改变轨道。这些陨石坑表明,在行星形成大约6亿年后,有一段时间发生了猛烈的撞击,这意味着月球也曾受到许多小行星的撞击。这令人感觉十分奇怪,毕竟那时小行星碰撞的疯狂速度应该已经稳定下来了。

那么,如何解释这段时间的剧烈撞击呢?格罗斯提出了一种可能:如果这些巨大的气态巨行星离太阳更近,然后离太阳更远,它们就会扰乱小行星的飞行轨迹,并将小行星抛向四周,从而产生剧烈碰撞。科学家们仍不确定情况是否如此。但如果没有月球岩石,他们可能根本不会考虑这种情况。

为何科学家想要更多月球样本

从不到1吨重的月球岩石中,我们已经了解到很多东西,但行星地质学家们渴望得到更多样本,原因在于所有的阿波罗任务都是在月球赤道附近着陆的。科学家们愿意研究其他地域的样本吗?格罗斯说:“哦,当然,绝对如此。”

戴尔也称:“试图只用几百公斤月球岩石解释月球的历史几乎是不可能的,而且我们根本没有任何来自月球背面的样本。我们不知道还会发现什么有趣的科学。”

美国白宫目前正在推动美国宇航局在2024年前再次将人类送上月球。目前,这些宇航员的计划是前往月球南极名为South Pole–Aitken盆地的陨石坑,这是月球上最大、最深、最古老的陨石坑之一。这次撞击造成的盆地如此强大,以至于暴露了月球的地幔或内部。

科学家不能直接研究地球的地幔,为此研究月球月幔将是绝好的机会。格罗斯说:“如果我们能找到些东西,那将绝对是一件了不起的事情。这可以帮助我们理解为何地球的地质构造如此活跃而月球却并非如此的原因。”

地质学家伯吉斯希望,如果人类登上月球,他们能从没有受到那么多太空辐射的地区带回些样本,这样她就能看到未经风化作用影响的、更原始的太空岩石样本。同样,这也可以帮助我们理解其他物体(那些我们没有碎片的物体)是由什么构成的。

这些知识可能有很多实际意义。例如,将来,如果人类想要开始在小行星上开采金属和矿物,在我们到达之前就知道小行星的确切地质构成,这将有很大帮助。

有很多理由让人类重返月球,并在那里建立永久基地。月球将是个很好的实验场所,可以教会宇航员如何更好地在太空中执行长期孤独的任务。这里也将是很好的发射基地,帮助我们前往更遥远的火星或其他天体。此外,月球可能是开采自然资源的好地方。

伯吉斯最喜欢的发现之一,是她在月球样本灰尘上发现的微小凹坑里有少量氦。她说,氦“是被困在月球上的太阳构成部分”。太阳向四面八方喷射气体和粒子,我们的月球像海绵那样吸收了其中的一些。这个发现很有诗意,也很实用,因为氦在地球上是一种越来越稀缺的资源,也许我们可以学会从月球上采集。

研究月球就是研究地球,并让我们知道:我们的世界有多特别?戴尔称:“我始终认为,人类要回答的最重要问题是,我们是孤独的吗?地球是独一无二的吗?”在某种程度上,研究月球岩石有助于我们回答这些问题。

弄清楚太阳系、地球是如何形成的,有助于我们了解地球生命是多么的稀有,这个地方是多么的特别。如果火星大小的物体从未与地球大小的物体相撞呢?对于生命的诞生,这场大灾难是不是有必要呢?

如果月球从未存在过,地球现在绝对是个截然不同的星球。但我们也会有所不同,我们可能对自己在宇宙中的位置不那么好奇。

阿波罗11号登月秘密(九):月球岩石样本是时间胶囊?图6:最后登月的阿波罗17号宇航员,望着月球上的尘埃和岩石,想知道废墟中还隐藏着什么秘密?

格罗斯说:“如果没有月球,我认为人类可能永远不会抬头仰望天空,然后想:‘哦,这个物体离我们很近,让我们试着到达那里。’所以,我们可能永远不会有好奇心去开发相关技术和工具,来促使我们离开地球。”

从很多方面考虑,月球都可以称为我们通往更广阔太空、探索其中奥秘的第一块踏脚石。我们不知道是否能在2024年得到更多的月球岩石。但总有一天,我们应该重新回到那里。

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乔俊婧 本文来源:知否 责任编辑:乔俊婧_NBJ11279
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