万字好文 | 人类登月50年的过去、现在与未来(2)

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2019年07月20日 09:41 新浪科技

  二)现况:月球教会了我们什么?

  迄今为止,人类已经执行超过70次成功的探月任务:飞掠探测,轨道器,着陆器,当然,还有12名宇航员踏上了月球的表面。除去地球之外,月球是整个太阳系中被研究最为透彻的天体。这些探测帮助我们了解月球的地质历史,确定其内部结构并测定其地表成分。这些探测行动给出的图景,远远超越了人们印象当中那个荒凉的月球表面。

  凯瑟琳·乔伊是英国曼彻斯特大学的一位月球地质学家,她说:“在过去的45亿年里,月球一直都是地球的姐妹。”而和所有姐妹一样,月球有话要说。

月球的诞生:今天的主流理论,即所谓“撞击起源说”认为,在地球历史早期,曾经遭受过一颗火星大小的原始行星体撞击,撞击产生的大量碎屑物溅射进入太空并最终聚集凝结成为今天我们所见的月球月球的诞生:今天的主流理论,即所谓“撞击起源说”认为,在地球历史早期,曾经遭受过一颗火星大小的原始行星体撞击,撞击产生的大量碎屑物溅射进入太空并最终聚集凝结成为今天我们所见的月球

  所有影响地球的天文机制也会对月球产生作用。但有所不同的是,在地球上,由于强烈的风化作用,以及板块运动,地球古老历史的很大一部分已经被消除殆尽,但是在月球上,情况就有很大不同。正如乔伊所言:“月球是一台记录地球历史的磁带机。”

  对于这盘磁带的解译,始于50年前,1969年,两位人类宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林踏上月球表面,并采集到第一块月球岩石样本。在一次持续2小时36分钟的月面行走之后,他们在月面上采集了22公斤重的月球岩石样本,并随后将这些样本带回地球供科学家们进行分析。后来的5次成功登月进一步增加了采集到的样本数量,他们一共带回了2200件样本,总重量超过382公斤。

存储在休斯敦航天中心内,由当年阿波罗12号任务带回的一块月球岩石样本存储在休斯敦航天中心内,由当年阿波罗12号任务带回的一块月球岩石样本

  从月球采集回来的尘埃和岩石样本被储存在位于德克萨斯州休斯敦的约翰逊航天中心内,它们被视为是无价的科学与文化资源。瑞安·赛格勒是NASA的月球样本管理员,他指出:“在所有2200份经过编号的样本中,除了6块之外,所有样本都经过了或多或少的研究。”这些样本中,有大约一半已经被封存起来,以供未来研究之用。这样做有很好的理由。在过去的这半个世纪中,相关分析设备和技术取得了巨大进步,从而能够让我们可以进行愈发精细的测量和分析工作。塞林格说:“每一块样本都会为我们打开一扇研究月球的崭新窗口。”

  它也让我们可以在更加精确的信息基础上,对一些老问题进行重新审视。在这其中,最大的问题就是:月球是如何形成的?英国布里斯托尔大学天体物理学家佐伊·莱因哈特指出:“我们抬头就能看到月亮,我们很想知道:它为什么会在那里?它是怎么形成的?”长期以来,科学家们一直在审视这个问题,并逐渐完善他们的想法。

阿波罗计划期间,正在月球表面采集样本的美国宇航员阿波罗计划期间,正在月球表面采集样本的美国宇航员

  天文学家们已经构思过多种有关月球起源的理论。或许是地球自转速度过快导致一部分物质被甩出去形成了月球?再或许月球在太空中流浪,刚好经过地球附近,于是被地球引力俘获?直到1946年,加拿大地质学家雷吉纳德·安德沃斯·达利提出了今天被学界广泛接受的月球起源学说:撞击起源说。该学说认为,在地球历史早期,曾经遭受过一颗火星大小的原始行星体撞击,撞击产生的大量碎屑物溅射进入太空并最终聚集凝结成为今天我们所见的月球。

  在对阿波罗计划取回的岩石样本进行分析时,科学家们找到了支持这一学说的证据:月球岩石在成分上与地球岩石非常相似,表明其成分中可能混入了大量来自地球的碎屑物质。甚至现代更加先进的分析技术显示,月球岩石几乎和地球岩石完全一样。根据所谓“大撞击学说”,这只能意味着一种情况,正如莱因哈特所言的那样:“这次撞击极为剧烈,所有成分都熔化混合到了一起。”

  莱因哈特的同事西蒙·劳克和莎拉·斯图尔特发展出一套新的模型,认为当年的地球遭受的撞击极为剧烈,巨大的热量导致地球被整体熔化,与撞击体合为一体,并在周围产生一圈类似甜甜圈的碎屑物环带。正是这个环带中的物质最终逐渐冷凝成为月球,这就解释了月球岩石在成分上与地球岩石的相似性。

美国探测器获取的南极“沙克莱顿”撞击坑附近区域图像。月球南极由很多深邃的撞击坑终年不见阳光,第底部存在丰富的水冰储存美国探测器获取的南极“沙克莱顿”撞击坑附近区域图像。月球南极由很多深邃的撞击坑终年不见阳光,第底部存在丰富的水冰储存

  莱因哈特表示:“月球岩石带给我们丰富的信息。我们想要的是构建出一个完整的月球历史。”要做到这一点就要涉及到使用计算机模拟这一史诗级的撞击事件,重现从撞击发生到月球形成的完整过程。

  但是在目前,我们还无法做到在模拟状态下的全过程重现。科学家们已经可以在模拟中重建那一道“甜甜圈”形态的碎屑物环带,并将其称作“Synestia”,但却还无法做到重现从这一碎屑物环带中冷凝并形成月球的过程。科学家们的确可以做到追踪在“Synestia”内部温度和压力环境的变化,但这一过程中却完全没有考虑化学成分方面的情况。要想改善这一情况,在莱因哈特看来,他们需要的是更加强大的计算机系统,而不是更多的月球探测行动。

  尽管在莱因哈特的眼中,更多采集自月球表面的岩石并不会对她的模拟工作带来太多的帮助。但月球在其形成之后的历史演变,却吸引了其他科学家关注的目光,他们渴望能够执行从月球取样返回的探测行动。

  即便不经意间瞥一眼月球,你就会注意到它表面的明暗不均。这种明暗差异一般被认为形成于一次被称作“晚期大轰炸”的相对短暂的地质历史时期。这一结论的证据,同样来自阿波罗计划期间取回的样本,其中的许多,年龄大约在39亿年左右。这些证据显示,当时存在一个持续大约2000万年~1亿年的时期,月球,以及太阳系中的其他天体,都曾经遭受过小行星的大规模撞击,正是在这一过程中,产生了今天我们在月球上看到的大量撞击坑。

  或许这种说法并不十分精准。乔伊表示:“随着对样本的分析不断进行,我们也会不断修正自己的想法。”重新进行的更加精确的分析,目的之一便是判断这些月球岩石究竟源自何方。所有的阿波罗计划取回的样本中,没有一块是基岩,也就是岩石所处位置与其最初形成的位置一致的岩石,这一点让科学家们在对岩石进行分析时无法有效参考其形成的背景环境因素。

  当前,科学家们认为,阿波罗计划取回的样本大部分是由月面上雨海形成时的剧烈撞击事件产生的大量溅射物质,那次撞击大约发生在39亿年之前。如果事实的确如此,那么这可能就意味着所谓“晚期大轰炸”根本就从未发生过。我们可能被一次规模巨大的单一撞击,将大量岩石碎屑物溅射到月球正面各处产生的假象迷惑了。

  乔伊表示:“这种情况可能会对我们对于月球样本的解译产生严重影响。因此,从这一点上说,未来设法采集到月球上的基岩样本就会具有极为重要的意义。”

  迁移的巨人

  通过这种方式,我们便可以确定其他撞击坑的真实年代。我们也将可以判断,究竟是否存在过一次持续时间短促但规模巨大的“晚期大轰炸”事件,抑或只是相对普通,但持续时间比较长的零散陨星撞击现象。

  弄清这一点的意义并不局限于地球和月球,如果说月球教会了我们什么的话,那就是整个太阳系都是相互联系的。事实也的确如此,我们对于水星,金星以及火星地表年龄的估算都是基于对于月球地表撞击坑数量的测算,并将其与月球岩石的年龄之间建立关联而进行的。前文中所提到的“晚期大轰炸”,尽管其是否存在仍然存在争议,但如果它真的存在,科学家们认为其产生的根源很有可能与早期太阳系中一些大型行星的迁移行为有关,这主要是指那些质量巨大的气态行星,比如木星和土星。这些庞然大物的迁移会极大扰动引力平衡,导致原先位于小行星带内的大量小天体偏离轨道,其中一部分撞向了地球。

  科学家们认为,太阳系的形成过程与宇宙中其他行星系的形成大体上是一样的,因此理论上我们在月球上取得的认识也将可以适用于其他遥远的行星系,其范围将远远超出太阳系的范畴。莱因哈特指出:“在太阳系形成晚期,发生了多次规模巨大的撞击事件。我们认为在围绕其他恒星运行的行星系统中,也可能会出现同样的情况。”甚至,考虑到月球在减缓地球自转,帮助稳定地球自转倾角等方面的关键作用,科学家们认为,对月球的研究未来将有助于我们判断哪些系外行星上更有可能存在适宜生命生存的宜居环境条件。塞林格指出:“对月球岩石的研究告诉了我们太多关于其他天体的知识。”而随着新一轮月球探测的展开,有有谁能够预言,这颗伴随了地球45亿年的星球,将会带给我们什么样的新发现呢?

月球阿波罗登月
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