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阿波羅登月50周年:年輕一代月球科學家將改變未來月球研究

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2019年7月20日06時 今日科學 澎湃新聞

澎湃新聞

1969年7月20日,美國太空人阿姆斯特朗成功踏上月球表面,邁出人類歷史性的一大步,也標誌著人類第一次探月熱潮的到來。

進入21世紀,人類第二次探月熱潮興起,除了原先的航天大國美國和俄羅斯外,中國、印度、日本和韓國等國也陸續加入了這一熱潮。

今年1月,中國月球探測器嫦娥四號成功著陸在月球背面,並計劃在今年年底發射嫦娥五號,實現區域軟著陸及採樣返回。印度在2008年10月首次執行月球探測任務,目前正在努力實現月球軟著陸。韓國正在研製其首個月球探測器,最早將於明年發射。美國也在計劃2024年前讓太空人重返月球。

各國探月計劃的背後,不乏年輕一代的身影。在阿波羅11號成功登月50周年之際,《自然》雜誌採訪了五位年輕的月球科學家。在他們的故事中,我們可以看到新一代科學家是如何改變人們對月球的研究與認識。

梅加·巴特

梅加·巴特:繪製月球礦物學地圖

梅加·巴特(Megha Bhatt)是一名印度月球科學家,自兒時起便感受到月球的吸引力。

她出生在印度的一個小村莊,村裡晚上經常斷電,導致有很多時間觀察星空,並為之深深著迷。阿波羅號登月的故事讓她萌生了為印度航天局工作的念頭,也促使她選擇學習物理學和電子學。

2008年,印度成功發射了第一個月球探測器月船一號。巴特在她的博士論文中使用了該探測器的一些數據來研究月球礦物學。通過研究不同波長的月球反射光,她繪製出了不同礦物在月球表面的分布情況。巴特還提出了一種估算鐵元素豐度的方法,用以揭示熔化的新生月亮在45億年前冷卻後如何開始形成礦物晶體。

目前,巴特在位於艾哈邁達巴德的印度國家物理研究實驗室專注於月球遙感的研究,並繼續繪製她的月球礦物學地圖。研究數據主要來自月船一號,有時也需要結合一些其他月球探測器的測量數據,比如在2007年至2009年間繞月飛行的日本月球探測器「月亮女神」 (SELENE probe)。「這就像偵探工作,你必須整合更多信息才能看到更大的圖景。」 巴特說道。

「月球旋渦」是巴特試圖解開的月球謎團之一。

這些神秘的淺色斑紋出現在月球上,就像咖啡里的奶油斑點。關於月球旋渦的形成,科學家們有幾個相互矛盾的觀點。其中一個流行的觀點是,月球上的一些磁性岩石就像保護傘,可以保護月球表面被太陽釋放的粒子和輻射,也就是太陽風影響。這些微型磁傘能夠將月球表面與太陽粒子隔離開來,防止其變暗。

巴特正在從礦物學角度研究這些可以延伸幾十公里的旋渦。在一個被稱為「賴納爾伽瑪」(Reiner Gamma)的橢圓狀漩渦中,她發現了其表面礦物反射光的方式的變化,這表明有多個機制分別形成了該旋渦的不同區域。她認為磁屏蔽在一定程度上可以解釋一些月球旋渦的形成,但並不是全部原因。

印度原定於2018年3月發射月球二號探測器,但由於修改設計等原因已經4次推遲發射時間。該探測器任務包括繞月觀測和在月球南極著陸,收集水冰、岩石和土壤數據。這將是第一個探測月球高地貧鐵富鋁岩石的探測器,該地區的化學成分還未被直接探索過。如果未來任務能夠成功,巴特將轉而研究這些礦物。

傑西卡·巴恩斯

傑西卡·巴恩斯:探索封存多年的月球岩石樣本

預計在明年,傑西卡·巴恩斯(Jessica Barnes)將走進一個溫度保持在零下20℃的大冷藏室,近距離接觸一塊被封存了近50年的月球岩石樣本。自1972年阿波羅17號的太空人將這塊岩石帶回地球以來,它一直處在冷凍狀態。巴恩斯將分析這塊封存多年的阿波羅原始樣本中水和其他揮發性物質的含量。

阿波羅17號是阿波羅計劃的最後一次任務,著陸點在月球北半球的陶勒斯-利特羅山谷。哈里森·施密特是阿波羅計劃眾多太空人中的唯一的地質學家,他在山谷的一塊巨石上採下一些樣本,其中一塊被帶回地球後就被放到零下20℃冷藏,另外的樣品則被保存在室溫下。科學家們並不確定冷凍條件是否比室溫更有利於樣本保存,而巴恩斯將迎來絕佳的機會研究這兩種保存條件下樣本成分的不同之處,進而對冷凍保存技術做出評估。

如果不同樣本中水和其他揮發物的含量相同,那麼NASA未來可能就不必費心思去凍結這些從月球帶回的岩石。但任何差異的存在都可能表明需要有更好的方法來保存月球樣本,以維持其科學特性。除此之外,巴恩斯和她的團隊還將研究這塊冷凍多年的阿波羅樣本的基本地質成分和化學成分。

巴恩斯最初是蘇格蘭的一名地質學學生,當她意外獲得一個研究月球岩石的博士機會後,便轉而開始了月球研究之旅。這個職位主要是運用納米二次離子質譜技術,從微觀領域分析月球岩石中的化學成分。

巴恩斯說:「我看到這份工作時簡直不敢相信自己的運氣,我將用一種全新的技術來研究月球岩石。我很幸運地得到了這個機會,我從來沒有後悔過。」

目前,巴恩斯在位於美國德克薩斯州休斯頓的詹森航天中心工作。在著名的月球實驗室中,她研究了阿波羅計劃帶回的各類的月球岩石,其中她最喜歡的是一種叫做橄長岩的古老岩石,這種岩石表面為乳白色,上面布滿了蜂蜜棕色的礦物質。

今年8月,她將加入亞利桑那大學月球和行星實驗室,把她對月球岩石的研究經驗用於保存奧西里斯-雷克斯(OSIRIS-REx)任務收集的小行星樣本。奧西里斯-雷克斯是NASA首個小行星採樣返回任務,預計將於2023年完成。

目前,令巴恩斯最興奮的是能夠參與阿波羅樣本分析項目,該項目共有9個研究團隊,他們將從不同方面研究阿波羅計劃帶回的原始岩石樣本。每隔一段時間,巴恩斯就會去參加一個會議,見到施密特——那個在月球上採集了岩石樣本的太空人。

凱薩琳·喬伊

凱薩琳·喬伊:在南極洲尋找月球隕石

英國曼徹斯特大學的月球科學家凱薩琳·喬伊(Katherine Joy)也在研究月球岩石。與巴恩斯不同,她研究的月球碎片不是由太空人從太空帶回來的,而是月球遭受小行星撞擊時從表面飛濺出來,穿過太空落到地球上的月球隕石。

喬伊會親自去尋找這些稀有的月球隕石。今年年初,她參加了英國南極調查局組織的首次南極隕石搜尋活動。喬伊騎著雪地摩托飛馳過南極廣袤的冰原,在冰面上用儀器搜尋那些看起來突兀的黑色小岩石。

在4周的時間裡,考察隊一共發現了36塊來自太空的隕石。目前,這些樣本剛剛通過慢船從南極洲運到英國,喬伊將在本月開始分析這些樣本。她希望至少能找到一塊來自月球的隕石,「我們曾經成功找到過來自灶神星的隕石,但我非常想找到一顆月球隕石。」

喬伊也曾研究過阿波羅太空人帶回的一些著名的月球岩石。2012年,她在阿波羅16號執行任務期間收集的月球岩石中發現了古代小行星的碎片。這一結果表明,34億多年前原始化學成分的小行星經常撞擊地球和月球。

相比較而言,月球隕石可以幫助喬伊更好地開展工作,因為它們來自月球各個區域。而阿波羅號帶回的樣本則都來自月球近側一個化學成分獨特的有限區域。

每一塊月球隕石都是一座潛在的月球信息寶庫。截至目前,科學家已經發現了大約145顆月球隕石,並通過它們了解了月球更多區域的地質情況。今年5月,喬伊及其團隊報告稱,在2013年南極洲發現的一塊43億年前的月球隕石中存在證據表明當時月球上已有火山爆發。

除了研究月球隕石外,喬伊還是一個歐洲儀器合作項目中的一員,該儀器將用於俄羅斯計劃在2023年送至月球南極區域的「月球27號」著陸器。她也就行星探索的重要性向英國政府提出過建議。

當然,喬伊最大的夢想還是親自去月球旅行,沿著隕石坑的一側向下攀爬,探尋月球各個地質層的歷史。

蔡景深

蔡景深:利用偏振光研究月球土壤

蔡景深(Chae Kyung Sim)是一名韓國月球科學家。相比於親自去月球旅行,她更喜歡帶著兩個孩子看天上的月亮。他們會討論月球的亮度和不斷變化的形狀,以及他們的母親是如何在地球上揭開它的眾多謎團。

蔡景深對星空的探索源於一位熱愛天文學的童年夥伴。她最初研究的是行星天文學,關注木星和土星的大氣層。2014年,在蔡景深獲得韓國慶熙大學博士學位前後,韓國政府宣布計劃向月球發射第一艘宇宙飛船。當時韓國的月球科學家非常少,蔡景深和一些韓國科學家轉而開始思考如何為這次任務提供一些獨特的科學方法。

蔡景深的研究領域是太空風化,即暴露在嚴苛的太空環境中的天體表層所經歷的一系列變化過程。她希望能揭示月球上有多少地表風化是由這兩個過程造成的。她說,研究導致月球表面風化的各種因素可以幫助研究人員了解一個地區的地質歷史。

在權威天文期刊《伊卡洛斯》(Icarus)發表的一篇論文中,蔡景深和她的團隊報告稱,月球土壤中的鐵元素的含量會導致它們對太空風化的反應不同,了解這些差異可以在探月任務中選擇更適合讓太空飛行器著陸的土壤類型。

她現在所在的團隊正在開發一款能夠利用偏振光研究月球的相機。偏振研究可以揭示月球表面的更多細節,比如塵埃顆粒的大小,這是月球表面風化程度的一個標誌。她表示,這款相機將是有史以來送到月球上的解析度最高的偏振儀,並將幫助科學家更好計劃未來的登月任務。

目前,韓國即將邁出探月第一步,計劃在2020年首個試驗型月球探測器探路者號(KPLO)。蔡景深希望用探測器獲得的數據來比較月球和其他無空氣天體(如水星)的太空風化情況。她還期待向世界展示韓國探月發現的一切。

她說,「作為一個韓國人,我對使用其他國家的數據感到不舒服,因為這些錢是由那個國家的納稅人而不是我們的國家花掉的,我想把韓國的數據分享給其他國家的科學家。」

法文哲

法文哲:分析嫦娥探月工程傳回數據

法文哲是中國自主培養的月球科學家之一,目前任職於北京大學遙感與地理信息研究所,致力於分析我國「嫦娥」探月工程所獲得的數據。

他的職業生涯也受到了中國登月計劃的影響。在復旦大學攻讀博士學位時,法文哲的研究方向是微波輻射計對地表特徵參數反演。2007年,中國準備發射第一顆月球軌道飛行器嫦娥一號。得知自己所在的實驗室會研究來自探測器的數據後,法文哲自願參與了這個項目,並為中國本土月球研究做出許多貢獻。根據嫦娥一號探月數據,他在《伊卡洛斯》上發表了估算月壤厚度與月表氦-3含量分布的論文。

他還是嫦娥三號和四號任務科學研究核心團隊成員,通過嫦娥三號測月雷達數據繪製了雨海著陸區精細的淺表層結構圖。嫦娥三號於2013年在月球近地球面最大盆地雨海地區著陸,通過攜帶的探地雷達對月球地下進行了迄今為止最詳細的測量,結果發現月球地下的地質結構比科學家們預想的要複雜得多。「我們探索月球的次數越多,我們的疑問就越多。」 法文哲稱。

除此之外,他還對傳統觀點提出了一些挑戰,比如月球極區永久陰影區是否存在大量水冰。美國月球勘測軌道飛行器等太空飛行器觀測發現,在月球永久陰影區存在一類撞擊坑,其坑內雷達回波極化比遠高於坑外。對此,NASA等太空機構解釋稱,月球極區存在大量水冰,太空人可以開採這些冰,以支持未來的月球移民。但法文哲開發了一種解釋觀測結果的新模型。他認為,這種回波異常是月球表面石塊二次散射的結果。「可能有水冰,但體積沒有之前想像的那麼大。我的研究結果對未來的探索確實是一個挑戰。」

中國航天局計劃今年年底前後發射嫦娥五號,實現區域軟著陸並將採取2公斤的月球樣本帶回地球。法文哲見過阿波羅號太空人收集的月球岩石,但從未觸摸過。他終於有機會與月球近距離接觸,「有時候我覺得自己很幸運。」


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