嫦娥六号从月背带回哪些“首创”

中国嫦娥六号月球采样返回任务公布首批4项研究成果，以封面形式发表在近日出版的国际学术期刊《自然》上。中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员吴福元表示，这一系列研究成果揭示了月球南极-艾特肯盆地的演化历史，嫦娥六号样品的返回和研究也创造了月球探测的新历史。那么，嫦娥六号从月球背面带回的样品有什么重磅发现？它对于未来人类探月工程有何助益和启示？

研究月背破解“二分性”之谜

由于地球的引潮力作用，月球围绕地球运行的时候，始终只给地面上的人们展现“桂花树下玉兔捣药”的正脸，从来不露出它的后脑勺。直到1959年10月，苏联的月球3号探测器拍摄到月球背面的影像，对月球背面的研究才正式拉开序幕。

从看到月球背面影像的第一眼起，科学家就惊讶地发现，月球背面的样貌非常陌生，单调无趣地遍布着撞击坑，几乎不存在月球正面那般明暗错落的图案。占据了月球正面30%以上的月海（实为玄武岩漫溢而成的平原），在月球背面的覆盖率只有1%。随着探月任务的不断进展，人们逐渐发现，除了形貌不同之外，月球的正面和背面在成分、月壳厚度、岩浆活动等方面也存在显著差异，引发了诸多疑问和猜想。比如，为什么月海大多分布在朝向地球的一面？为什么月球背面南极-艾特肯盆地的月壳很薄，火山活动反而不如正面的风暴洋活跃？形成南极-艾特肯盆地的那次撞击对于月球演化起到什么作用？被广泛接受的“岩浆洋”理论是否适用于月球背面？月球背面的地质活动终于何时？由于月球“二分性”（指月球正面和背面的差异性，被列为探索月球奥秘最关键的科学问题之一）的形成机制一直悬而未决，所以这些问题都是我们认识月球形成和发展过程需要解答的。

研究月球的形成和发展过程有什么意义呢？月球陪伴了地球几十亿年，了解它的成长历程有助于了解地球自身，毕竟由于板块构造运动与风化侵蚀，地球早期的岩石记录难免受到“污染”，可能不够准确。通过研究月球的地质演化，还可以推导类地行星的演化发展，对于行星科学研究具有重要意义。

过去，科学家对月球的探测与着陆考察活动都集中在月球正面，对月球背面的认识主要基于遥感研究。20世纪60年代，苏联和美国先后发射绕月探测器，对整个月球表面开展遥感测绘工作。自中国探月工程实施以来，历次嫦娥任务也在绕月飞行过程中对月球表面进行测绘。2022年，中国科学院以嫦娥一号到四号任务获得的大量科学探测数据为基础，综合国际已有的月球地质资料和研究成果，发布了世界首幅1∶250万月球全月地质图，其精度是此前月球全月地质图的2倍。月球全月地质图能够系统地提供月壳表面地层、构造、岩性与年代等综合地质信息，反映月球岩浆作用、火山活动、撞击事件等演化过程。

但是遥感探测终究是用电磁波“看”月球，看得再多，也不如采集月面样品送回地球分析来得精确全面。2024年6月2日，嫦娥六号在月球背面的阿波罗盆地着陆，顺利完成月面采样任务，于6月25日携带1935.3克月壤样品降落在内蒙古四子王旗着陆场，在人类历史上首次实现从月球背面采样并将其带回地球。

嫦娥六号造访的阿波罗盆地是一座非常古老的环形山，它没有撞击喷溅的辐射纹系统，部分表面已被黑暗的熔岩掩盖，布满众多较小的撞击坑和几片熔岩填塞的微型月海。更重要的是，阿波罗盆地坐落在月球上最大、最深、最古老的南极-艾特肯盆地之中。该盆地直径2500公里，相当于北京到三亚的距离，形成于大约42亿年前的一次巨大撞击，撞击力度可能透过月壳直抵月幔。从阿波罗盆地这样一个撞击坑中采集月壤、月岩样本，可以获取有关月球演化史以及月球内部的信息，为厘清月球正面和背面物质组成的差异、破解月球“二分性”之谜提供宝贵线索。

首批4项成果均具“首创性”

中国科学家通过嫦娥六号样品取得了多个关键性进展，我们来解读一下此次在《自然》期刊发表的首批4项首创性成果。

首次揭示月背火山活动的年代

研究团队从嫦娥六号月壤中分选出108颗玄武岩岩屑，使用“离子探针”测定其中铅的3种同位素的丰度，通过铀-铅衰变的规律，反演出这些玄武岩颗粒从岩浆中结晶成岩的年代。玄武岩是火山成岩，是月球的“原住民”，可以真实反映月球火山活动的情况。研究发现，有107颗岩屑成岩年龄一致，极可能来源于同一期次的玄武岩喷发，喷发时代为28亿年前，另有1颗高铝玄武岩岩屑的喷发时代可以追溯到42亿年前。两期玄武岩数据综合指示，月球背面的火山活动至少持续了14亿年。尤其是此前从月球正面采集的玄武岩样品中，从未有过28亿年前这段时期的记录，所以这一成果填补了月球研究的一项年代空白。

此外，早在嫦娥六号出发前，科学家已经使用“数坑定年法”（越古老的地区积累的撞击坑越多）估计其着陆区的年龄为30.7亿至24亿年。而样品测定的28亿年与此估算一致，这表明从研究月球正面建立的年代估算方法也适用于月球背面，并且同位素精确定年能进一步完善当前的撞击坑统计模型，提供关键数据参照点。

首次获得月背古磁场信息

地球液态外核的流动如同一个“发电机”，产生的磁场包裹着地球，屏蔽宇宙射线，保护大气和水，形成适合生命繁衍的环境。月球也曾有过与地球类似的磁场发电机，但现在已经不复存在。了解月球磁场发电机的演化过程，对于揭示月球的深层内部结构、热历史及表面环境至关重要。

先前对从月球正面带回的样品进行古磁场强度研究，已经确定了月球磁场的总体变化。对阿波罗返回样品的研究显示，月球在42亿年至35亿年前存在一个相对活跃的发电机所产生的磁场，强度可达几十微特斯拉（特斯拉是国际单位制中磁感应强度的单位），接近地球现今的磁场水平。该磁场在约31亿年前下降了一个数量级，之后维持在几微特斯拉；15亿年至10亿年前，磁场强度再次下降，直到完全停止工作。

嫦娥六号带回的首批距今约28亿年的月球背面玄武岩，填补了月球磁场发电机演化过程中一个关键的时空空白。研究团队对4颗毫米级玄武岩样品开展的磁学研究结果显示，样品记录的古磁场强度为5微特斯拉至21微特斯拉，这表明月球磁场在31亿年前急剧下降之后，并不是一路下滑到底，而是在28亿年前发生过反弹，原因可能是能量来源改变或者最初的驱动机制再次激活。

首次得知月背月幔的水含量

月球内部的水含量对揭示月球起源及后续的热化学演化过程非常重要。目前学术界普遍认为，在太阳系形成早期，一颗个头相当于火星的天体“忒伊亚”撞击了原始地球，抛出的物质重新吸积便形成了月球。但在撞击过程中，月球的水分挥发殆尽。那么，月幔究竟富水还是贫水？近20年来一直存在争议。

嫦娥六号带回的样品为认识月幔水的时空演化提供了重要机会。通过测定玄武岩中磷灰石（主要与水结合的物质）和熔融包裹体的水含量、氢同位素组成，研究团队估测嫦娥六号玄武岩的月幔源区水含量仅为1-1.5微克/克，是已报道数据中的最低值。这表明背面月幔比正面月幔更“干燥”，月球内部水的分布也像其他许多特征一样，呈现出“二分性”。倘若整个月球背面的幔层都与嫦娥六号着陆点相似，那么月球整体水含量过去可能被高估了。无论如何，这项月球背面月幔水含量的研究成果具有里程碑式意义，为大碰撞起源假说以及月球的后续演化提供了关键的参考框架。

首次发现月背玄武岩来自超亏损源区

从16颗嫦娥六号玄武岩岩屑（0.5-6毫米）中，研究团队挑选出较大的4颗分析其元素构成后发现，这些玄武岩样品来自极度亏损的源区。“亏损”指的是缺乏容易在岩浆熔体中富集的“不相容”元素，包括钾、磷、稀土元素等。这些元素受自身离子特性限制，很难进入造岩矿物晶体结构，宁愿以岩浆方式耗到不得不冷却结晶的那一刻。

研究团队认为，月球背面样品中极度亏损，可能有两种原因。一种原因是“先天亏损”，在受到广泛支持的“岩浆洋”理论中，月球初期是个巨大的岩浆洋，当它冷却结晶时，较为致密的矿物（如橄榄石、辉石等）沉入深处形成月幔，较轻的矿物（如斜长石等）浮向表面形成月壳，夹在二者之间的“不相容”元素最后才结晶。嫦娥六号玄武岩可能来自月球早期深部未受扰动的月幔，按照岩浆洋理论，这部分月幔必然是超亏损的。第二种原因是“熔体抽取”，南极-艾特肯盆地巨型撞击事件引发了强烈的火山活动，大量岩浆被抽取出来并喷发到月球表面或侵入地壳，使剩下的月幔变得极度亏损。无论是哪种原因，嫦娥六号着陆区的超亏损地幔都为早期月壳-月幔分异打开了深入观测的窗口。

为创建“中国的月球研究学派”而努力

在嫦娥六号月球采样首批4项研究成果在《自然》期刊公布后，中国科研团队收到了来自世界各地同行的祝贺。其中，英国开放大学行星科学与探测教授马赫什·阿南德（Mahesh Anand）表示：“我们拥有来自月球的样本已经超过50年，是由（美国）阿波罗和（苏联）月球计划采集的……而嫦娥六号获得的样本揭示了许多新的东西，迫使我们重新思索过去五六十年来关于月球起源、演化以及月球内部水的历史所形成的理论。”

可以说，嫦娥六号的成功是科学与工程深度融合的范例。科学发现依赖于工程技术的成功实践，而科学研究又指导工程技术的具体实施。对月球背面样品研究的多项首创性突破，得益于中国航天稳健、迅速的发展。正是过去20多年中国航天人的努力拼搏，打开了中国深空探测的新局面。嫦娥六号圆满完成人类首次从月球背面采样返回的任务，使我国一举跃升深空探测领域的最前沿，既获得了揭示月球早期演化奥秘的独特科学资源，又为重构地月系统形成机制提供了难以复制的关键证据。

尽管4项研究成果齐发是个重磅新闻，但嫦娥六号月壤样品的研究成果不止这些。早在嫦娥六号发射前一年，仅中国科学院地质地球所就梳理出20多个关键研究问题，各有专人负责。收到样品后的第16天，各个团队负责的玄武岩测年、岩石学、地球化学、磁学、稀有气体等首批成果已纷纷完成并投稿。

在嫦娥六号之前，只有美、苏两国从月球正面采集过月球样品，并且只覆盖了月球40亿年至30亿年前的片段。而嫦娥五号从月球正面带回了迄今最年轻的20亿岁月球火山岩，嫦娥六号月球背面样品中最古老的物质可追溯到42亿年前，从时间和空间两方面为月球演化的历史“残卷”补上了关键几笔，填补了月球演化史的“晚年”与“童年”空白。

不过，嫦娥六号月球背面样品仅揭开了月球奥秘的一角，实现月球演化历史认知的突破仍然任重道远。要走好这条路，技术突破是关键支撑，应利用我国在仪器载荷、地球化学分析、离子探针等方面的技术积累，为快速产出成果奠定基础。同时，应聚焦关键核心问题，集中力量突破，而不是一味跟着国外的研究热点走。正如吴福元院士所说的，尽管我国行星科学研究水平显著提升，但未来仍需走出一条自主道路，创建“中国的月球研究学派”，形成自己的思路与特色。

（作者为中国科普作家协会会员）