科學家們已經從月球的土壤粉末中瞥見了月球的一些演變|圖檔：pixabay.com
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2020年底，中國的月球探測器嫦娥五号降落在月球上一個相對年輕的區域，挖掘并鑽探了1，731公斤的月球樣本。
7月，第一批科學家申請了一些樣品。三個月後，科學家們從這些衛星中瞥見了月球的一些演變過程。
作者|王希源
|陳曉學
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從月球玄武岩的碎片，小麥粉顆粒的大小來看，中國研究人員發現，月球上已知最年輕的火山在2030±0.4億年前才沉寂下來，與之前報道的月球其他地區的火山相比。數十億年前"死亡"的結果是10億年後，比最年輕的月球隕石（月球被小行星撞擊并濺到地球上的岩石，年齡為28-290億年）晚了8億至9億年。這意味着至少在20億年前，月球的内部仍在進化。
5頁.m。中原標準時間10月19日，《自然》雜志加速中國科學院地質與地球實體研究所線上發表研究結果。
另外兩篇論文與這篇年代測定論文一起發表：一篇測量月球玄武岩樣品的地球化學成分，并在玄武岩月球的源區發現Krip成分（KREEP，月球），每年000年岩漿以前的黃棕色玻璃狀礦物，鉀K，磷P和稀土元素REE）的豐度較低， 并得出結論，月球沒有豐富的放射性熱元素，而另一個則測量了玄武岩樣品中熔融包層和磷礦的含水量。得出了月球含有較少水的結論。[2,3]
中國科學院地質與地球實體研究所教授李顯華說，月球的品質很小（隻有地球的1.2%），人們普遍認為它的保溫能力和冷卻速度很快，但他們的發現提出了新的可能性：月球不一定能那麼快地散熱。李顯華是這項月球樣本研究的主要作者，也是測年論文的合著者。
這三篇論文的樣本均來自蒙斯倫克山脈以北的北月海洋，稱為Oceanus Procellarum，并于2020年12月17日由中國的嫦娥五号月球探測器帶回地球。這些發現也是美國國家航天局月球探測和空間工程中心（以下簡稱月球探測中心）自2021年7月12日釋出第一批月球樣本以來發表的一系列研究的結果。
美國東部時間中國地質科學院地質研究所EST在《科學》雜志上發表論文，結論是月球玄武岩的凝固時間約為1963±5.7億年。
新釋出的年度結果與上述年齡誤差幅度大緻一緻，通過測量更多樣本提高了結果的準确性。
"這兩個研究小組的結果令人興奮和令人印象深刻，"加州大學戴維斯分校地球與行星科學系教授闫慶珠說。從獲得樣本開始不到4個月的時間内收集資料，解析結果，撰寫論文并将其發表在主流科學期刊上，這是研究團隊的巨大成就和艱巨的努力！非常令人印象深刻！"
<h1級"pgc-h-right-arrow"資料跟蹤>01 月球降溫比預期的要慢，可能的原因是什麼？</h1>
李告訴知識分子，以前對撞擊坑計數的統計研究表明，由于該地區表面的高放射性熱量，倫克山北部的岩漿可能在以後的生活中仍然活躍，是以假設該地區有足夠的能量來維持火山活動。
圖1 嫦娥五号和之前的着陸探測器采樣點分布，左圖是估計月球表面地形的年齡，右圖是估計月球表面的熱量，嫦娥五号的位置比較年輕，放射性熱元素|圖檔：林陽，2021，創新
他們最近發表的研究首先确定岩層的後期估計是正确的。"雖然過去的估計不太準确，但令人高興的是，這些岩石真的很年輕。
另外兩項發現對這一現象的解釋提出了新的問題。
先前的估計表明，岩漿形成晚期的一個因素是高水準的放射性熱原，如鉀，鈾和钍。中國科學院地質與地球實體研究所研究員楊偉及其同僚的研究表明，風暴洋北月的放射性産熱元素并不豐富，可與阿波羅玄武岩中的月球源面積相媲美。"解釋放射性元素不是這裡岩漿活動的主要原因。李解釋說。
此外，含水量也會影響月球源區岩石的融化溫度。之前的假設是，高水位可能導緻岩石從固體融化為液體，這意味着随着月球冷卻，岩漿凝結将花費更長的時間。Hussen等人的含水量研究發現，"岩石母體的含水量不高，約為1-5μg.g-1（每克樣品1-5微克），與阿波羅樣品相比明顯較低。"李說。這也排除了高水位導緻晚期岩漿活動的假設。
這項工作提出了"關于月球熱演化的有趣問題，"餘先生說。在這些條件下，像月球這樣的小物體如何保持晚期岩漿活動？"他說。"我期待看到一系列的模組化工作，使行星科學界了解資料提供的資訊。"
李說，還有另一個因素影響月球的冷卻，那就是壓力，這需要進一步的研究。
"也許我們對月球的熱演化估計有問題，需要重新考慮它，"李說。是以月亮很小，但它不必很快散熱。"
< h1級"pgc-h-arrow-right"資料跟蹤"157">02從"遠見"到"近乎欣賞"的月球研究</h1>
餘文生說，這種同位素測量的結果補充了月球研究中10億至30億年間"撞擊坑計數"的計算缺陷。
當無法獲得月球土壤時，科學家隻能通過"隕石坑數量"來計算月球表面的年齡并計算其演變：由于月球上大氣層稀薄，隕石撞擊很常見，撞擊坑往往保持相對完整。在有許多撞擊坑和堆疊層的地方，地層較老，而撞擊坑較少的地方則較年輕。這種方法被稱為撞擊坑計數，也可以用于太陽系中的其他行星，如金星和火星。
經過長期的發展，撞擊坑計數法已成為計算月球演化的重要工具。對于超過30億年的地球，它的猜測更準确，但對于30億年以下的"年輕"天體，不同科學家的猜測往往差異很大，誤差範圍從50億年到10億年不等。
圖2 在"撞擊坑計數"領域有一條衆所周知的固定年份曲線，但這條曲線在10-30億年時非常平坦，估計誤差很大。測年結果"錨定"了按時間順序排列的資料，對于提高撞擊坑計數方法的準确性至關重要|圖檔：李等人，2021年，《自然》
李說，這項工作對于校準"撞擊坑計數"以用于研究更多天體也很重要。
< h1級"pgc-h-right-arrow"資料跟蹤"158">03"采摘面粉"</h1>
月球樣本是珍貴的，實驗是一項精細的工作。
為了避免樣本受到地球物質的污染，地質與地球實體研究所為月球樣本研究建立了一個月球清潔實驗室，直徑大于每立方米0.5微米的顆粒控制在幾千個。此外，用于放置樣品和實驗的手套箱中充滿了氮氣，氧氣和水分壓力都很低，避免了污染。
由于月球幾乎是真空環境，表面月球被多次撞擊撕碎，碎片很少超過一毫米。典型的月球科學樣本編号是字母和數字的集合，開頭的"CE5"代表中間的YJ，中間的"YJ"代表研究，"GP""YX"和"FM"代表三種類型的樣本：最大直徑的光片，最小的碎片和直徑隻有幾百微米的最好的粉末。
圖3 李顯華要求的嫦娥五号月球樣本|來源： s1
李的團隊要求的五個科學樣品主要是岩石碎片和粉末樣品。第一個挑戰是從一堆幾十微米的碎片中挑出幾百微米的碎片。普通面粉的粒徑為75微米，據李顯華介紹，月球土壤顆粒的平均粒徑隻有幾十微米。
"想想看，在一堆'白面粉'裡放幾片'黑面粉'是非常困難的。"李說。
在實驗室的中間是一個正壓手套箱，壓得比外面更強，裝滿了氮氣，穿着幹淨的研究人員盯着放大的目鏡幾十次，伸手進入手套孔，捏住手中一根非常細的不鏽鋼針，慢慢地撿起它們。
圖4 論文作者之一李金華在手套箱旁邊操作，旁邊是技術人員郭偉和馬紅霞|圖檔：任輝
挑出玄武岩碎片，制成環氧樹脂樣品靶材，抛光，先用掃描電子鏡對岩石碎片進行圖像分析，鑒定出各種礦物，特别是尋找富鈾钽礦物（如斜锆石）;
尋找含铌礦物是由于礦物富含鈾，但在形成時基本上不含鉛，是以離子探針測量的鉛基本上是放射性的，可用于可靠的同位素測年結果。
在幾百微米大小的碎片中，含锆礦物通常隻有幾微米寬，當離子探頭的分析光束點非常小時才能精确地覆寫礦物，光束點分析覆寫礦物顆粒之間的間隙可能會留下微量的金（含有非常微量的鉛）， 有可能将鉛計為非放射性原因樣品的一部分，影響當年的結果。
Li團隊使用的離子探頭分析直徑小于3微米的光束斑點，這是高精度離子探頭年時技術的最高空間分辨率。
圖5 論文中所示的玄武岩樣品，左圖顯示含釩礦物處于b點位置，右圖放大b點，白色位置為含钽礦物，指向點的陰影是離子探針撞擊後留下的痕迹|圖檔：李顯華
研究人員測量了47個樣本的年齡，并得出結論，玄武岩結晶在大約20.3億年前在風暴洋的年輕月亮海洋中凝固，誤差幅度剛剛超過400萬年。
在10月号的《科學》雜志上，僅含钽礦物的年度測量結果就為2，011±0.5億年，這與上述結果更接近。
<h1級"pgc-h-右箭頭資料軌道"159">04插曲：國際合作是對與錯</h1>
在"元五号"重返月球之前，中國研究人員對月球土壤的唯一研究實踐來自中國1978年從美國獲得的1克月球土壤的一半。是以，在月球土壤研究方面具有實踐經驗的人并不多。
李顯華介紹，目前國内月球土壤研究人員，有的從事地質研究的學者，有的是行星科學家，有的來自地球實體學、地球化學等領域，他們大多也在"邊學"。李顯華是研究同位素的地球化學家，他的團隊之前已經為外星樣本開發了多種高精度分析技術。
研究申請月度評審于6月在北京舉行，每位申請人都對研究計劃進行評判并回答專家問題。在第一批送出申請的37個團隊中，包括李顯華團隊在内的13個機構的17名申請人收到了樣本。
今年10月7日發表的《科學》雜志文章是第一篇發表嫦娥五号月球樣本研究的文章。由于在論文的簽名中出現了許多外國專家，其中一位仍然是通信作者，引起了一些關注。中國科學院地質與地球實體研究所副教授羅斯·N·米切爾（Ross N Mitchell）表示，通訊作者普遍受到該項目首席科學家的表彰，而中國地質科學院地質研究所則稱其為"過于慷慨"。
"所有科學家都應該知道科學論文的基本原理是什麼，以及它們的貢獻是什麼。"李說。
知識分子聯系了澳洲科廷大學教授、科學文章的作者亞曆山大·内姆欽（Alexander Nemchin）。他說，他和中國地質科學院地質研究所項目申請者、研究員劉敦義已經認識了31年，月球土壤研究的合作早在"五"時期之前就開始了。四年前，兩人讨論了合作研究月球樣本的想法，他向NASA申請了阿波羅的樣本。
在這次合作研究"元5"樣本中，為了盡快發表論文，内姆欽提出要起草自己的英文論文，最初他把自己的名字放在最後，劉盾後來将他列為通訊的作者。
"我不認為挑戰它的人真的參與了（國際）合作，"他說。"
該論文的另一位作者劉敦義告訴《知識分子》，内姆欽是地質研究所的通路學者。研究的主要工作在地質研究所進行，而讨論和分析則由中外團隊成員線上進行。Nemchin作為該報的起草者，列出了時事通訊的作者，以便于與編輯部門溝通。
劉說，國際合作是科學發展的必然途徑，"互相彌補"并不是一種恥辱。合作也是互相的。十年前，他是美國華盛頓大學學者發表的一篇論文的第一作者，該論文研究了阿波羅12号帶回的月球樣本。
中國國家航天局制定的《月球樣品管理辦法》規定，國家航天局鼓勵以月球樣品為基礎的空間科學聯合國際研究，促進成果的國際共享。據知識分子介紹，目前公布的月球研究樣本尚未向外國申請人開放，但它們并不限制将外國專家引入中國申請人團隊。
7月，當第一批樣品釋出時，月球樣品管理月球探測中心副主任嚴昭宇在接受《人民日報》采訪時表示，"尚未收到外國科研機構的正式申請"，但"國家航天局鼓勵對月球樣品進行聯合國際研究，外國科學家可以通過加入國内科研團隊共同進行樣品研究"。國家航天局正在會同有關部門制定月球樣品國際合作規則，報中央準許實施。" [7]
提示
月球樣本資料向公衆開放
讀者可以通路月球中心網站擷取具體資訊：
https://moon.bao.ac.cn/moonSampleMode/
引用：
[1] 李，QL.，周，Q.，劉，Y.等。嫦娥五玄武岩在月球上的兩十億年前的火山活動。自然 （2021）.https://doi.org/10.1038/s41586-021-04100-2
[2] 田慧， 王華， 陳毅， 等.嫦娥5玄武岩在Procellarum KREEP Terrane的非KREEP起源。自然 （2021）.https://doi.org/10.1038/s41586-021-04119-5
[3] 胡姗姗， 何漢， 姬， J. 等.嫦娥五号幼馬玄武岩的幹燥月球地幔儲層。自然 （2021）.https://doi.org/10.1038/s41586-021-04107-9
[4] Che，Xiaochao等人"月球上年輕玄武岩的年齡群組成，從嫦娥五号傳回的樣本中測量。科學（2021）：eabl7957。
[5]https://www.chinadaily.com.cn/a/202110/13/WS6166764ca310cdd39bc6ea6a.html
[6]http://www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2021-01/18/content_5580772.htm
[7]http://finance.people.com.cn/n1/2021/0713/c1004-32156005.html