太空採樣大盤點·阿波羅和月球號

2021-01-09 haibaraemily

#知識分享獎學金第二期#

北京時間2020年12月17日凌晨，去去就回的嫦娥五號歷時23天，順利從月球挖土而歸。

2020年12月17日，在內蒙古四子王旗成功回收嫦娥五號樣品艙 | CSNA

而就在11天前的12月6日清晨，日本JAXA的隼鳥2號探測器歷經6年的跋涉，將來自小行星「龍宮」的樣品送回了地球。

隼鳥2號返回艙再入地球大氣層形成的「火流星」 | JAXA [1]

主動前往太空採回樣品，在人類歷史上還不多見。短短半個月裡兩份來自太空的「土特產」，這無疑是2020這個坎坷之年回饋人類智慧和堅韌的一份大禮。

除了帶回星際塵埃和太陽風粒子，在人類短短六十多年的深空探測史上，迄今為止只完成過9次月球採樣返回，1次彗星採樣返回和2次小行星採樣返回。每一次，都伴隨著未知、艱險和挑戰，每一次，都是載入史冊的壯舉。

接下來幾期，讓我們來一起盤點一下吧。

先驅者阿波羅號

1969年7月20日，NASA阿波羅11號登月艙帶著兩名太空人——尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林——成功踏上月球正面的靜海基地。

這不僅是人類首次載人登陸月球，也讓月球成為了人類目前為止唯一親身探測過的地外天體。

奧爾德林走下梯子，阿姆斯特朗拍攝 | AS11-40-5866

在總計2.5個小時的月面出艙活動時間裡，兩位太空人完成了三次月面採樣，共採集了21.6公斤月球巖石和土壤樣本並帶回地球。

阿波羅11號月球樣品匯總。數據來源：NASA，整理：haibaraemily

如今的我們依然會驚嘆，人類的第一次太空採樣居然就有如此「高規格」，不僅真人出馬，而且幾十公斤地往回帶貨——直叫後來只採了幾十克甚至幾毫克的無人採樣任務哭暈在廁所。

阿波羅11號第一次月球樣本採集（Contingency Sample）▼

阿姆斯特朗完成第一次月面採樣 | 阿波羅著陸腿上的相機拍攝

阿波羅11號第二次樣本採集（Bulk sample）▼

阿姆斯特朗完成第二次採樣所用的鏟子和採回的樣品示例 | 美國國家航空航天博物館&NASA

阿波羅11號第三次樣本採集（Documented Sample）▼

（左）奧爾德林用直徑2釐米的巖管採集了2管深達月表以下13釐米的巖芯樣本；（右）阿波羅11號使用的採樣管長這樣（紅色箭頭） | NASA

此後的阿波羅12、14、15、16、17號均成功實現了載人登月、月球巖石和土壤採樣和返回，而且一次比一次採得多。

風格逐漸大膽.jpg

到了1972年的阿波羅17號就更加彪悍了，這次任務的太空人們不僅在月面艙外活動了22個小時，採回了110.5公斤月球樣品（均為史上之最），更誇張的是，這次任務是直接把活的地質學家送上了月球。

阿波羅17號的登月太空人之一，哈裡森·施密特，在成為NASA太空人之前是根正苗紅的地質學家，有地質學本碩博學位。地質學家的實地考察和採樣，讓阿波羅任務真正實現了哪裡有科學價值挖哪裡，把專業挖土做到了極致。事實上，哈裡森·施密特也是登上月球的12名太空人中唯一一名科學家。

正在採集月球巖石樣本的哈裡森·施密特 | NASA

除了採集樣品，阿波羅載人任務還充分利用真人優勢，在月球表面完成了包括地震實驗、熱流探測、重力儀和雷射反射陣列安裝等一系列直到今天都無法超越的月球實地探測。這個和本篇關係不大，就不多說了。

六次阿波羅載人登月著陸點和當時著陸留下的各種設備（地震實驗裝置、上升級等）在目前最高解析度的月球影像中的樣子 | NASA / LRO

蘇聯月球號

阿波羅11號登月一年後，姍姍來遲的蘇聯月球16號才於1970年9月20日著陸在月球正面的豐富海，並採集了101克月球樣品帶回。蘇聯的三次月球採樣任務：月球16號、月球20號、月球24號均為無人採樣返回，這也是嫦娥五號之前人類唯三的無人月球採樣任務。

（左）月球16號探測器模型和前端的採樣裝置 | 維基；（右）月球16號採回的一管鑽取樣品，編號21000 | NASA/Meyer [2]

受限於火箭運力和返回方式（阿波羅返回時採用交會對接，而月球號則是上升器從月面起飛後直接返回），三次月球號任務採回的樣品都只有幾十到一百多克，相比於阿波羅任務實在不算多。

月球20號和24號鑽取採集的樣品示例。三次採樣分別帶回了101克、55克和170克月球樣品 | NASA/Meyer [3]

阿波羅和月球任務採回的樣品被接下來四十多年裡的行星科學家們孜孜不倦地鑽研至今，幫助人們揭開了諸多月球謎題。但遺憾的是，隨著阿波羅載人登月的成功，美蘇太空競賽迅速進入了尾聲，月球採樣熱潮在鼎盛時期戛然而止——1976年蘇聯的月球24號任務之後，月球採樣沉寂了整整44年。

參考資料

[1] Image of the re-entry capsule fireball | http://www.hayabusa2.jaxa.jp/en/topics/20201206_fireball/

[2] https://curator.jsc.nasa.gov/lunar/lsc/luna16core.pdf

[3] http://www.iap.fr/vie_scientifique/ateliers/IAU_Centenary_2019/IAU100-Marov.pdf

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