嫦娥五號即將升空開啟「挖土」之旅 取回樣本或能助我們更好了解月球
著名的「起源石」，由美國阿波羅15號太空人從月球採集帶回。圖自NASA
11月17日，長徵五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場完成技術區總裝測試工作後，垂直轉運至發射區，計劃於11月下旬擇機實施發射。新華社發
上世紀美國和前蘇聯太空爭霸時期，月球探測成為競爭的核心。1969年7月20日，美國阿波羅11號飛船降落在月球靜海地區，人類首次成功登月。但除了阿姆斯特朗的「人類一大步」之外，科學家更為欣喜的是，此行帶回了來自月球的巖石，這是人類首次將月球樣品帶回地球。
美國曆次阿波羅計劃，在月球表面總共採集了2415塊標本，總計約382千克。它們在日後產生了大量科學成果。美蘇爭霸的另一極，前蘇聯通過月球計劃16、20和24號任務，也總共攜返326克的月巖標本。其中，1976年的月球24號，從月球攜返170克樣本，這也是人類迄今為止最後一次從月球直接取樣。
隨著美蘇爭霸落幕，人類探索太空，特別是探索月球的小高潮回歸平靜。直到20世紀末，各個航天國家開始提出新的月球探測計劃。中國的探月工程於2004年立項實施，並確定了「繞、落、回」三步走戰略規劃。嫦娥一號到四號任務的成功實施，已圓滿完成三步走戰略的前兩步。目前，嫦娥五號在文昌航天發射場枕戈待發，即將實現探月工程第三步戰略目標——成功後，中國將成為第三個從月球表面採樣返回的國家。
11月17日，長徵五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場完成技術區總裝測試工作後，垂直轉運至發射區，計劃於11月下旬擇機實施發射。這次任務是中國探月工程第六次任務，計劃實現月面自動採樣返回，是我國航天領域迄今最複雜、難度最大的任務之一。按照計劃，嫦娥五號將突破月面自動採樣返回關鍵技術，開展月球樣本相關的科學研究，構建起完整的月球探測體系。
這是人類時隔40多年再次從月球採集樣本返回。月球土壤裡含有怎樣的奧秘？嫦娥五號採樣點的選擇經過怎樣的考量？科學家又希望通過這些寶貴的樣本揭開哪些謎題？
北京天文館收藏的月球巖石樣品，系美國阿波羅17號載人宇宙飛船的太空人採自月球澄海東南著陸區。圖自北京天文館官網
「抓+挖」，2公斤月壤來之不易
除了來自月球的隕石外，人類直接從月球取得的樣品，不到400千克。
這其中絕大多數來自美國的阿波羅計劃，由美國太空人在月球表面採集，採集方式包括錘、耙、鏟、鉗以及鑽探採集。這些來自月球的樣品，成為地質學家與天體化學家的重要研究對象。
中國科學院國家天文臺研究員鄭永春曾表示，月壤是從月球固體巖石圈到太陽系空間的過渡帶，包含著相關區域的大量信息。對月壤的研究不僅涉及月球本身，而且還包含太陽系空間物質和能量的重要信息。其中包括太陽系早期演化的歷史記錄、月巖和月壤的宇宙線暴露與輻照歷史、月球中揮發分的脫氣歷史、太陽風的組成、太陽表層的成分特徵、小天體和微隕石撞擊月球的歷史記錄等。
中國也曾得到少量的阿波羅月球樣本。1978年，時任美國國家安全事務顧問布熱津斯基訪華時，向中國贈送了1克月球樣品。中國科學院院士歐陽自遠曾回憶，1克的樣品雖然很少，但對於做研究已經足夠。他當時把樣品小心切成了兩塊，一塊用於做研究，另一塊保存了起來。
歐陽自遠表示，因樣品大小有限，當時先做了非破壞性測試與研究，最後才做破壞性的測試與研究，包括礦物成分、結構構造、化學成分、微量元素、物理性質、產出環境。最後科研人員不僅判斷出該樣本是在阿波羅17號任務中採集的，確認了採集地點，甚至還分析出石頭所在地區是否有陽光照射。根據對這塊石頭的研究，他們共發表了40篇文章。保存下的另外0.5克樣品，現由北京天文館收藏。
不同於美國可以由太空人人工採集樣品，前蘇聯始終未實現載人登月，因此其月面採樣返回均為無人採樣。
1970年9月12日，前蘇聯發射了世界第一個無人月球採樣返回探測器——「月球16號」。它在月面軟著陸後，用自動鑽孔機採集月球樣品，然後把樣品封裝於返回艙內，接著上升器從月面起飛返回地球，最終返回艙於1970年9月24日在前蘇聯境內著陸。這次任務從月球豐饒海取回了一塊101克的小樣本。之後幾次任務，前蘇聯探測器採樣的樣本重量都在百克上下。
同樣是採用無人探測器採樣，嫦娥五號此行目標將取回2千克左右樣品。全國空間探測首席科學傳播專家龐之浩介紹，前蘇聯當時並未掌握月球軌道無人交會對接技術，所以其3次無人月球採樣任務採用的都是月面起飛直接返回地球方案，因此其上升器需要克服返回艙與大量燃料死重，因此極大壓縮了採樣重量。嫦娥五號將採用具有世界領先水平的月球軌道無人對接方案轉移月壤，上升器只需少量燃料，且沒有返回艙死重，因此採樣重量呈幾何級提高。
行星地質學家、中國地質大學（武漢）行星科學研究所教授肖龍告訴南方日報記者，嫦娥五號採樣將分兩個過程完成：一是利用機械臂從月球表面抓取樣品；二是通過鑽探，連續採集月面以下2米左右深度的樣品。「工程實施時，先鑽取樣品，再抓取樣品。」肖龍說。
《自然》雜誌繪製的嫦娥五號採樣和歷史上美、蘇探測器的採樣點示意圖。
採樣回地球是「最可靠」的研究方法
通過前期任務，中國不但積累了月面軟著陸技術，也開展了一定的月壤研究。
例如，嫦娥三號於2013年12月在月球上軟著陸，通過對月球土壤的著陸探測研究，發現了有別於阿波羅任務採樣的新的月表礦物；同時，進行了雨海地區分層結構研究，重新認識了該地區多期次玄武巖活動特徵。
而科學家通過嫦娥四號搭載的可視-近紅外成像光譜儀（VINS）的光譜初始觀測結果推斷出，月球表面存在的低鈣輝石和橄欖石礦物可能起源於月球地幔。這也是人類首份月球背面幔源物質初步證據，加深了人類對月球形成與演化的認識。
不過肖龍指出，月球科學研究有多種方法，衛星和月球車拍照只能獲得表面的形貌和大致的表面成分信息，無法了解月球的物質組成多樣性，包括元素和礦物的定量測定。
「因此，樣品研究對於地球科學和月球科學都是至關重要的。要精確了解月球的巖石、礦物、元素和同位素組成，都需要樣品。也只有把樣品帶回實驗室進行研究，才能獲得最可靠的數據。」肖龍說。
他介紹，樣品成功返回後，科學家將首先對樣品進行分類、編錄，按照「先無損分析，後有損分析」的基本流程，開展月壤粒度、種類，以及礦物組成、元素和同位素組成、樣品形成年齡等方面的研究。
科學家們期待嫦娥五號帶回的樣品，能夠助力解開月球的諸多謎題。
採樣位置在阿波羅未曾涉足之處
國家航天局探月與航天工程中心主任劉繼忠此前透露，嫦娥五號探測器的著陸地點為月球正面西北部的呂姆克山脈。
呂姆克山脈位於月球表面風暴洋北部地區，以德國天文學家呂姆克之名命名。這一山脈面積約4000平方公裡，高出周圍的月海表面約200—1300米。呂姆克山表面存在撞擊坑、皺脊、月溪、火山穹窿等多種地貌，其中，穹窿是最為突出的火山地貌。
肖龍告訴南方日報記者，嫦娥五號著陸點的選擇，經過了科學家和工程技術人員的多次討論，主要考慮兩個方面：一是確保工程安全，需要考慮到地形、光照、通訊等；二是遠離早期美國和前蘇聯的採樣點，獲得不同的月球樣本，為月球科學作出新的貢獻。
肖龍介紹，阿波羅任務取得的樣品大都是來自古老的月海區域，通過它們得到的認識是，月球在31億年前就沒有火山活動了。「而近年來的遙感數據分析顯示，像嫦娥五號採樣區，有可能存在距今12億—15億年的火山活動。但這些分析，最終需要樣品研究的結果才能得到確認。」肖龍說。
他表示，嫦娥五號著陸點選擇在更「年輕」的玄武巖區域，如果能夠獲得精確的玄武巖噴發年齡信息，證實在這一時間裡仍有火山噴發，將會「重新認識月球火山噴發的歷史」。
他進一步表示：「如果樣品研究支持或不支持通過表面撞擊坑統計得到的月球年齡，都將對行星表面撞擊坑統計定年方法提供新的制約。」
●南方日報駐京記者 王詩堃