月球，这一明亮而神秘的天体，对人类的探索历史产生了深远影响。嫦娥五号返回器于2020年12月17日安全着陆在内蒙古四子王旗预定区域，携带回来了1731克珍贵的月球样品。这些微小的石块和土壤样本蕴含着无数科学发现和宇宙奥秘。通过对这些月球样品的精密分析和深入研究，我们可以揭示宇宙的奥秘，并更好地理解人类自身的存在。让我们一同踏上这段关于月球样品的旅程，感受它们所带来的珍贵见证。
 图1.嫦娥五号返回器成功着陆|图源：央视网
嫦娥五号任务是我国月球探测“绕、落、回”三步走战略的“收官之战”，也是我国首次月球采样返回任务。
到底月球上有没有水？月球上的矿产资源能不能为我们所利用？带着这些最朴素的科学问题，嫦娥五号搭载长征五号重型火箭，在2020年11月24日凌晨4时30分成功发射，并于28日20时58分进入预定的月球轨道，开启了中国首次地外天体采样返回之旅。经过了三天的平稳绕行，2020年12月1日23时11分，嫦娥五号在月球风暴洋东北的吕姆克山附近的“天船基地”成功着陆，开始了本次探月任务的重头戏——自动采样。  图2. 嫦娥五号着陆器搭载的监视相机拍摄的自动采样照片
嫦娥五号设计了机械臂铲取和钻具钻取两种自动采样方式。机械臂铲取采用末端固定铲挖型采样器，用于表层月球样品的采集，实现多点、多次采样。钻具钻取则通过空心钻杆的取芯机构，在月球表面以下进行深部岩芯样品的采集。这两种采样方式互为备份，提高了采样的成功率和可靠性，并获得多样化的样品种类，为后续科学家研究提供了更丰富的月球样品。在地面专家的遥测指挥下，嫦娥五号顺利进行了19个小时的有序工作。它收集了表层月壤和深部岩芯样本，总质量达1731g。自动采集的样品被封装在环形密封容器内，并平稳传送至返回器中保存，以确保其完整性和安全性。随后，嫦娥五号返回器于12月3日23时10分从月面起飞，并成功完成了我国历史上首次地外天体点火起飞和月球轨道无人交会对接。经过艰苦的旅程，于2020年12月17日凌晨1时59分顺利带着月球样品返回地球，并安全降落在预定的着陆场。这标志着我国首次地外天体采样任务取得圆满成功，然而，中国月球样品的故事才刚刚开始……经过航天五院对嫦娥五号返回器的全面检查，于2020年12月19日上午在国家航天局主持的月球样品交接仪式现场，正式将样品移交给中国科学院国家天文台所在的探月工程地面应用系统（后续简称“地面应用系统”）。这一重要时刻标志着嫦娥五号任务从工程实施阶段正式转入科学研究新阶段，为我国首次地外天体样品的储存、分析和研究工作拉开序幕。
在样品交接之前，地面应用系统已建成国内首个“月球样品实验室”，该实验室具备存储、处理和分析地外样品的能力。样品被安全运输至月球样品实验室后，地面应用系统的科研人员立即开始进行月球样品的存储、制备和处理，正式启动样品科研工作。 图4. 地面应用系统科研人员在实验室处理月球样品|图源：地面应用系统
根据采样方式的不同，地面应用系统首先将此次采集回来的样品分为铲取样和钻取样。根据样品类型，铲取样和钻取样又可以分为粉末样、岩屑样以及制备成的树脂光片样。此外，根据样品的使用目的，还可将样品分为公益样品、科学研究样品、本地永久存储样品和异地永久存储样品。月球样品的发布按照探月与航天工程中心制定的《月球样品管理办法》执行。2021年1月，探月与航天工程中心授权国家天文台向中国国家博物馆发放了月球公益样品，这是用于科普教育展出的第一份公益样品，之后还陆续发放了用于国礼赠送给俄罗斯和法国的公益样品。2021年7月，向科技人员发放了首批嫦娥五号月球科研样品，截至目前已完成第六批发放。2021年12月25日，第一批嫦娥五号异地永久存储样品在湖南省韶山市正式交接，嫦娥五号本地永久存储样品则存储在中国科学院国家天文台月球样品实验室中。 图5. 国家博物馆展出的月球样品及民众参观照片|图源：国家博物馆
在上个世纪六七十年代的探月热潮时期，美国和苏联已经在月球采集了样品，为人类对月球的认识奠定了基础。从1969年7月到1972年12月，美国的阿波罗任务进行了六次载人登月采样任务，共带回了约382公斤的月球样品。同期，苏联的Luna-16、Luna-20 和Luna-24无人采样任务也采回了大约300g的月球样品。
 图6. 阿波罗登月者在月球表面留下的脚印及阿波罗月球岩石样品|图源：NASA
阿波罗11号（Apollo 11）是人类历史上首次载人登月任务。1969年7月16日13时32分（UTC），装载着阿波罗11号的土星5号火箭在肯尼迪航天中心成功发射升空。1969年7月21日2点56分(UTC)，阿姆斯特朗成为第一个登上月球并说出了著名的：“这是我个人的一小步，但却是全人类的一大步(That's one small step for a man, one giant leap for mankind.)”。自此之后，人类开始了对月球的全新探索。随后，美国成功执行了阿波罗12号、14号、15号、16号和17号五次载人登月任务，从月球的六个不同区域采集返回了2200个独立的样品。1970年9月12日，苏联发射了Luna-16探测器，它是人类历史上首个在月球上实现自动采样并送回地球的探测器，成功将约100克月壤带回地球。随后，Luna-20和Luna-24分别带回了约30克和170克的月球样品。
在这之前，人类对月球的了解主要来自于遥远的天文观测和合理的科学假设。然而，通过获得月球样品，科学家们能够进行更深入的研究，并获取大量更准确的科学数据。许多科学家认为，阿波罗计划取得的科学成果远远超过了之前几个世纪的月球天文观测成果。1978年，时任美国总统国家安全事务助理布热津斯基到访中国，并将1克的月球岩石样本赠送给我国。欧阳自远院士小心翼翼地取下其中的0.5克进行实验研究，并发表了14篇科研论文。另外的0.5克被收藏在北京天文馆，展示在“月球-陨石展区”。为了让观众更清晰地看到这珍贵的月球样品，欧阳院士提议在样品前放置一个放大镜，以便观察更多细节。即使这半粒黄豆大小的月球样品，至今仍然在北京天文馆吸引着众多的科普大众。由此可见，即使是如此少量的月球样品所带来的科研和科普的影响力都是巨大的。而当我国嫦娥五号成功采样返回近2公斤的月球样品后，欧阳院士在嫦娥五号科研成果发布会上动情地表示：“用我们中国人取回的样品做研究，我的心情完全不一样。”这更加突显了嫦娥五号任务所带来的巨大意义和骄人成就。地质学家在研究特定地区通常进行野外考察，以初步了解当地的岩性和环境，并采集岩石和土壤标本带回实验室进行详细分析。通过对矿物组成、元素含量和样品年龄等进行分析，可以推测过去事件并类比过去情况，从而研究古地理。类似地，在探索地外天体时也需要进行类似的研究。仅凭借天文观测和搭载遥感仪器所获取的数据，难以获得像月球样品那样的精细信息。由于探测器的重量限制，许多精密仪器无法携带到月球表面，只能使用简单便携的小型仪器，如光谱仪和探月雷达等。例如，同位素定年方法可以提供关于样本年龄的重要信息，但目前这类精密仪器体积庞大、操作复杂，无法轻便地携带到月球表面。然而，为了了解月球的起源和演化历史，不仅需要探测器或人类登月，还需要将样本带回地球，在地球上的实验室进行更加精细的研究，包括样本的矿物组成、年龄和磁学特性等方面。通过研究月球样品，人类已经获得了许多重大的科学发现和研究成果，这些成果对于我们对太阳系演化、行星形成以及地球科学等领域的认知提供了重要支持。阿波罗11号带回的首批月球样品确定了月球诞生时的温度条件，结束了月球诞生过程是冷还是热的长期争论，并确定了阿波罗11号着陆区附近的地质年龄。科学家们对月球样品进行了长期的研究，提供了关于月球、地球以及太阳系早期历史的重要信息。通过分析月球样品，科学家确定了月球的年龄约为45亿年，与地球的年龄相似，进一步证实了月球的形成与早期太阳系的演化过程密切相关。此外，通过比较月球样品与地球的组成和化学特征，科学家揭示了地球和月球的起源关系，指出月球可能是由一次巨大撞击事件后产生的碎片聚集而成。通过分析月球样品中的气体成分和微小颗粒，科学家获得了关于宇宙射线和太阳风的宝贵信息。此外，从撞击坑中采集的月球样品提供了关于行星间碰撞和太阳系演化的重要证据。通过分析月球样品中的矿物、晶体和岩石结构，科学家能够深入研究岩石形成和演化过程，进一步增进对地球内部构造和地质历史的理解。这些研究为我们提供了关于地球及其他行星的形成和演化的重要线索。 图8. 嫦娥五号着陆器搭载的全景相机拍摄的采样点区域拼接图（由地面应用系统制作）
月球表面的物质主要由岩石和月壤组成，与地球相似。岩石样品是最常见和重要的月球样品类型。根据体积大小，岩石可分为大的岩块和小的岩屑；根据岩石类型，主要有非月海原岩石、玄武岩和撞击角砾岩。非月海原岩包括斜长岩、镁质岩、碱性岩和克里普岩类等，记录了月球早期的形成和演化历史。玄武岩则是由月球火山活动形成的，主要分布在较暗的月海地区。根据钛含量，玄武岩可分为高钛、低钛和甚低钛玄武岩，这些岩石提供了不同区域火山活动的信息，揭示了月球内部的热力学活动和地质过程。撞击角砾岩是由被撞击作用破碎或熔化的老岩石物质组成，广泛分布于高地和月海地区。采集岩石样品对于理解月球表面的地质历史、火山活动和撞击事件，以及探索月表矿物组成和月球化学具有重要意义。月壤是月球表面的细粉状风化物质，由陨石撞击产生的溅射物和行星陨石碎片组成。它包含了微小颗粒来自月球地壳，并与月球环境相互作用形成的化学元素和化合物。月壤颗粒的大小一般在微米级，科学家根据粒径将其进行分类。极为微小的颗粒通常称为尘埃样品，由碎片、陨石喷射物和行星陨石尘埃组成。由于月球没有大气层，在数十亿年间遭受无数小到微陨石和小行星的撞击，月壤和尘埃暴露在太阳风和宇宙射线下。它们承载了关于外来撞击历史和宇宙空间环境变化的重要信息，是研究月球和太阳系演化历史的最佳样本。 图9. 嫦娥五号月球样品（左图：岩石；右图：月壤）|图源：地面应用系统
嫦娥五号任务的采样点位于月球上风暴洋东北部的月海地区，经纬度为51.916°W、43.058°N。这个区域是美国阿波罗和苏联月球采样任务未到达的最高纬度采样区，可能保留了月球最年轻的火山活动。嫦娥五号首次将该地区的月球表面样品带回地球，为揭示月球科学中的一些未解之谜提供了新机遇。
图10. 月球采样点分布和采样时间，以及嫦娥五号采样点的区位背景[1] 2021年4月13日，国家航天局联合地面应用系统发布了嫦娥五号首批月球样品信息，供科研人员申请用于科学研究。这些信息被收录在地面应用系统建立的月球样品信息数据库中（网址：https://clpds./moonSampleMode/index.html），科技人员可以通过该数据库查询、检索、浏览嫦娥五号月球样品的相关信息，并在线申请借用和返还样品。该数据库实现了从月球样品信息发布到线上借用和返还等全周期管理。截至2023年9月，地面应用系统已经接收了257份的样品申请，向40家单位共计128人次发放了77克重量的月球科研样品。 图11. 月球样品信息数据库网站页面|图片来源：地面应用系统
自从2021年首批嫦娥五号月球科研样品发放以来，许多科技人员已利用这些样品进行了一系列研究，取得重大突破。在月球样品的基础物理特性、物质组成、晚期火山活动以及月表太空风化和羟基水等方面，不断刷新了我们对月球科学的认识。 图13. 嫦娥五号样品岩相学照片[1]
嫦娥五号的样品主要由以下物质组成：玄武岩岩屑、矿物碎屑、角砾岩碎屑、粘结物和玻璃。本地物质占主导地位，外来物质不超过5-10%。月壤中的大部分玻璃形成于陨石撞击产生的熔体迅速冷却，其成分与着陆点附近的玄武岩基本相同[2]； 研究人员发现嫦娥五号样品中存在一种新型磷酸盐矿物——'嫦娥石'（Changesite）。它属于陨磷钠镁钙石族； 通过对样品进行光谱、X射线衍射和电子探针测量，研究发现嫦娥五号玄武岩中富含铁的高钙辉石是月球晚期玄武岩独特光谱特征的主要来源。这一发现修正了过去基于遥感光谱推测的“橄榄石为主”的主流观点[3]。
图14. 嫦娥石（左图：岩相图；右图：真实颗粒CT扫描三维形态图）|图源：国家航天局 科研人员通过同位素定年分析发现，嫦娥五号玄武岩样品的年龄为20.3亿年[4,5]，比阿波罗和苏联月球任务带回的样品年轻了近9亿年，证实了月球火山活动持续的时间更长。 嫦娥五号玄武岩的月幔源区并不富含放射性元素和水[6,7]，排除了过去的“克里普”元素富集假说和富水降低熔点假说。目前仍在进一步探索中，以确定月球火山活动持久存在的原因。
图15. 嫦娥五号玄武岩的源区性质和喷发机制示意图[8] 太空风化是指天体表面暴露在太空环境下所经历的一系列变化过程。嫦娥五号带回的月壤样品表面发生了太空风化，形成了纳米金属铁和太阳风成因的水[9,10]； 与阿波罗任务带回的月壤不同，嫦娥五号的月壤中还存在着更为复杂的太空风化产物，可能是由月球高纬度地区的太空风化作用形成的，包括共析反应形成的磁铁矿[10]、歧化作用形成的Fe3 [11]、以及蒸发沉积形成的蓝辉铜矿[12]； 嫦娥五号月壤样品揭示了月表存在羟基水的新证据。除了太阳风注入月壤表层形成的胶结玻璃中的羟基水[8]，还发现了来自岩浆结晶过程的羟基水残留在磷灰石中[13]。
目前嫦娥五号月球科研样品的研究工作仍在进行中，我们期待未来能获得更多、更好的科研成果，揭示更多有关月球、行星、宇宙的奥秘。
图16. 嫦娥五号月壤太空风化示意图[8] 通过航天人的不懈努力，嫦娥五号实现了“九天揽月”的壮举，极大推动了我国行星科学研究的进展。科研人员对嫦娥五号月球样品进行研究，取得了关于月球起源与演化、行星地质学和水资源探测等方面的丰富科学成果。月球与行星科学蓬勃发展，并逐渐引起公众的关注增强了民族自信和自豪感。通过月球探测，我们积累了大量关于航天器设计、自主导航、降落着陆等方面的经验，为未来的月球与深空探测任务提供了有力支持。按照国家航天局的计划，嫦娥六号任务将在2024年前后发射，旨在前往月球背面进行采样返回。从2026年开始，嫦娥七号和八号将陆续前往月球南极地区，探索环境资源并建立国际月球科研站，开展月球自身资源探索与利用、月基观测、基础科学实验和技术验证等多种科研任务。同时，中国载人登月计划也在稳步推进，预计于2030年前后实现中国首次载人登月，并进行科学考察与技术验证。我们将持续计划和探索，深入了解月球。唐代诗人张若虚在《春江花月夜》中写道：“江月年年望相似，不知江月待何人？”每当仰望天空中那一轮明月，我们会发现月球就在那里，静静地等待着追寻宇宙真理的探索者去访问。 参考文献：（上下滑动可浏览） [1] Li, C., Hu, H., Yang, M.-F., et al. (2022). Characteristics of the lunar samples returned by the Chang’E-5 mission. Natl. Sci. Rev.9, nwab188.[2]Yang, W., Chen, Y., Wang, H., et al. (2022). Geochemistry of impact glasses in the Chang’e-5 regolith: Constraints on impact melting and the petrogenesis of local basalt. Geochim. Cosmochim. Acta 335, 183−196.[3]Liu, D., Wang, X., Liu, J., et al. (2022). Spectral interpretation of late-stage mare basalt mineralogy unveiled by Chang’E-5 samples. Nat. Commun. 13, 5965.[4] Li, Q.-L., Zhou, Q., Liu, Y., et al. (2021). Two-billion-year-old volcanism on the Moon from Chang’e-5 basalts. Nature 600, 54−58.[5] Che, X., Nemchin, A., Liu, D., et al. (2021). Age and composition of young basalts on the Moon, measured from samples returned by Chang’e-5. Science 374, 887−890.[6] Tian, H.-C., Wang, H., Chen, Y., et al. (2021). Non-KREEP origin for Chang’e-5 basalts in the Procellarum KREEP Terrane. Nature 600, 59−63.[7] Hu, S., He, H., Ji, R., et al. (2021). A dry lunar mantle reservoir for young mare basalts of Chang’e-5. Nature 600, 49−53.[8] Chen, Y., Hu, S., Li, J. -H., et al. Chang’e-5 lunar samples shed new light on the Moon[J]. The Innovation Geoscience, 2023, 1(1): 100014-1-100014-15.[9] Zhou, C., Tang, H., Li, X., et al. (2022). Chang’E-5 samples reveal high water content in lunar minerals. Nat. Commun. 13, 5336.[10] Guo, Z., Li, C., Li, Y., et al. (2022). Sub-microscopic magnetite and metallic iron particles formed by eutectic reaction in Chang’E-5 lunar soil. Nat. Commun. 13, 7177. [11] Xian, H., Zhu, J., Yang, Y., et al. (2023). Ubiquitous and progressively increasing ferric iron content on the lunar surfaces revealed by the Chang’e-5 sample. Nat. Astron. 7,280−286.[12]Guo, Z., Li, C., Li, Y., et al. (2023). Vapor-deposited digenite in Chang’e-5 lunar soil. Sci. Bull. 68, 723–729.[13] Liu, J., Liu, B., Ren, X., et al. (2022). Evidence of water on the lunar surface from Chang’E-5 in-situ spectra and returned samples. Nat. Commun. 13, 3119.熊雅颖：中国科学院国家天文台工程师，中国探月工程地面应用系统数据管理分系统成员，主要从事月球样品信息管理工作。 陈媛：中国科学院国家天文台博士后，主要从事月球和火星地质研究工作。
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