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嫦娥五号月球样品新研究:20亿年前月球还有火山喷发,科学家不知道原因

2021-10-20  火星科普

中国科学家在顶级科学期刊《自然》(Nature)杂志上连发三篇新论文[1][2][3],分析了嫦娥五号从月球上采集到的样品。结果表明,人类最近的一次月球采样带回了最年轻的月球土壤和岩石,距今只有20亿年,揭示了月球不为人知的过去。

在我国之前,美国和苏联都曾采集过月球样品。在美国阿波罗载人登月期间,宇航员先后六次带回了380千克的月岩(后来送了1克给我国)。在上世纪70年代,苏联发射无人探测器登陆月球,先后三次带回月球样品,总计301克。

时隔将近50年后,我国发射嫦娥五号奔赴月球,这个无人探测器在月球正面着陆,采集到1731克月球样品,并成功返回地球。此前,第一批嫦娥五号月球样品已经分发给多个科研机构。现在,关于嫦娥五号的月球样品研究终于有成果了。

分析表明,美苏带回的月球样品都是非常古老,年龄超过30亿年,最古老的甚至超过44亿年。先前的研究表明,月球的内部很快就冷却下来,最迟在28亿年前已经停止火山活动,表面变得一片沉寂。

然而,嫦娥五号的月球样品分析结果显示,月球在20亿年前其实还有火山活动,这个结果让天文学家感到意外。当时的月球火山把岩浆喷发到表面,然后凝固成玄武岩,最终被嫦娥五号带回地球。

另一方面,月球最后的火山活动驱动力也不是此前认为的放射性元素钾、铀和钍。理论上,这些放射性元素衰变后产生的热量,有助于熔化月球地幔中的岩石,形成大量岩浆,最终引发火山爆发。然而,科学家并没有嫦娥五号带回的玄武岩中检测出这些放射性元素。

在这几项新研究中,科学家还分析了月球样品中的水分。此前研究认为,月幔具有较高的含水量,因为水能降低岩石的熔点,使月球的火山活动可以持续更长时间。但新研究显示,这些样本异常干燥,水分含量仅为百万分之一至五。

对于月球这样体型较小的天体,内部降温速率很快,火山活动应该很快就会停止。如果没有大量的放射性元素或者水,月球的火山活动又怎么会持续到20亿年前呢?

对此,天文学家目前也不知道确切原因。目前提出了几种假说,比如地球的潮汐加热、月球表面厚厚的土壤起到保温作用、又或者是大型小行星、彗星的撞击。关于月球的演化史之谜,还有待进一步的样品分析结果。

嫦娥五号带回的月球土壤和岩石中不但蕴藏着月球演化史,而且还有各种人类需要的自然资源。据统计,月球上的已知矿物超过100种,其中5种是月球上特有的,地球上不存在。

月球上的某些金属资源非常丰富,比如钛,其储量估计超过100万亿吨,地球上钛矿的储量估计为20亿吨。钛具有非常优异的抗腐蚀性能,其强度-密度比是金属之最,所以被广泛应用于航海和航天领域。可以想象,在未来的“大航天时代”,人类将会在月球上大量开采钛矿。

此外,月球上还大量存在地球上极为稀缺的资源——氦-3。可控核聚变是人类迈向更高文明等级的关键,目前科学家正在测试氘和氚的核聚变反应,但这种反应会产生中子辐射问题,而且还会损失一些能量。而氦-3可以实现完美的核聚变,不会有放射性污染,而且成本更低。

氦-3大都源自于太阳风,但由于地球大气层与磁场的存在,太阳风基本上无法直接到达地球表面,所以氦-3在地球上非常罕见。而月球没有大气层与磁场的阻挡,太阳风直接轰击月表,所以月球上积累了大量的氦-3。

保守估计,月球表面存在超过110万吨的氦-3。而只需100吨的氦-3用于发电,就能满足全球人类1年的耗电量。虽然月球上的氦-3是有限的,看起来只能让人类用一万多年,但这对于人类文明的进一步发展十分关键。即便月球上的氦-3耗尽了,木星、水星等天体上还存在更多的氦-3有待开采。

氦-3具有极高的应用前景和价值,每吨高达30亿美元,相当于191亿元。目前,获得50毫克嫦娥五号月球样品的核工业北京地质研究院,正在研究月壤中的氦-3,探索从中提取氦-3的技术。

接下来,我国还将进一步探测月球,发射多个无人探测器前往月球,并且从月球上的不同区域采集样品带回地球。令人激动人心的载人登月计划也在酝酿之中,我们有望在不远的将来(也许十来年),看到中国航天员亲自踏上月球表面。

参考文献

[1] Qiu-Li Li, Qin Zhou, Yu Liu, Zhiyong Xiao, et al. Two billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’E-5 basalts, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-04100-2.

[2] Heng-Ci Tian, Hao Wang, Yi Chen, Wei Yang, et al. Non-KREEP origin for Chang’E-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-04119-5.

[3] Sen Hu, Huicun He, Jianglong Ji, Yangting Lin, et al. A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’E-5, Nature, 2021, DOI: 10.1038/s41586-021-04107-9.

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