據新華社
這兩天，「嫦娥五號」的動態一直被人們牽掛在心上。目前，「嫦娥五號」已順利完成月球表面自動採樣，並按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。約2千克的月球巖石、土壤樣本將由上升器攜帶，從月面起飛，與返回器對接後返回地球。這也是繼前蘇聯月球24號探測器之後，時隔44年人類從38萬千米外的月球帶回樣本。
我們為什麼要登月「挖土」？怎麼取樣？有哪些意義？本端記者專訪中國科學院國家天文臺研究員鄭永春，請他為我們解讀。
月球上取的土
絕佳研究樣本
「天上白玉京，十二樓五城。」幾千年來，月球一直是人類憧憬的理想國，對於月球的猜測和想像絡繹不絕。幾十年前，隨著美國、前蘇聯相繼登月從月球上獲取樣本，月球的神秘面紗逐步被人類所揭開。
「這是個人邁出的一小步，卻是人類邁出的一大步。」美國太空人阿姆斯特朗第一次踏上月球這片沉寂的土地時，如此描述道。除了在月球上留下人類的腳印，「阿波羅」號還為人類帶回了「天外寶藏」——月壤。在1969-1976年間，6次美國「阿波羅」探月任務和3次蘇聯「月球」號任務先後帶回了大量月壤與月巖樣本。其中，「阿波羅」任務共採集了約382千克；「月球」採集了約301克。
人類一次又一次登上月球，取回月壤，那麼它到底是什麼樣呢？
鄭永春介紹，通過地基天文望遠鏡對月觀測，太空望遠鏡和環月衛星的遙感探測，以及無人駕駛月球車和「阿波羅」太空人的月表巡視勘查，目前已知道幾乎整個月球表面都覆蓋著一層細粉狀的風化物質，這就是月壤。實際上，月壤指的不僅僅是月球上的土壤，還包括臥或埋於粉狀風化物中的直徑數米的巖石。
現在科學家對採集的月球樣品進行的分類，就是依據當時處理「阿波羅」號帶回月球樣品所採用的分類方法。其中直徑大於1釐米的顆粒，被當作巖石樣品來進行研究，稱為月巖；直徑小於1釐米的顆粒，被當作土壤樣品對待，按習慣也稱為月壤。其中，顆粒直徑小於1毫米的部分，是月壤中的主要組成部分，在大部分月壤樣品中佔總重量的90%以上。
「月壤是了解月殼巖石圈的組成和分布特徵，研究月球乃至地月系演化歷史的絕佳樣本。它存在於月球表層，遭受了微隕石和小行星的撞擊，所以含有微隕石和小行星撞擊歷史的信息。」鄭永春說，月壤是從月球固體巖石圈到太陽系空間的過渡帶，暴露於宇宙射線和太陽風中，包含太陽系空間物質和能量信息，還可以為了解太陽活動歷史等提供必要的信息。
月壤也是月球資源利用研究的重要載體。月壤中含有豐富的資源，包括氦-3、鈦鐵礦、克裡普巖等潛在資源，可為月球資源開發利用、月球基地的選址等提供重要科學依據。如氦-3是世界公認高效、清潔、安全的核聚變發電燃料。據計算，100噸氦-3所能創造的能源，相當於全世界一年消耗的能源總量。氦-3在地球上的蘊藏量極少，全球已知且容易取用的只有500公斤左右。而前期嫦娥工程探明，月壤中的氦-3儲量達上百萬噸，能滿足人類約1萬年的能源需求。實際上，隨著人類對月球認識的加深，科學家發現月球氦-3的總儲量可能更多。
當然，由於地月運輸的高昂成本，目前所謂的月球資源還不具備商業開發價值，只有潛在開發價值。「如果有一天人類長居月球，那利用月壤在月球上就地生產建築材料、鋪設路面、生產氧氣和水等將是十分必要的。」鄭永春說。
取樣品2公斤
「嫦娥五號」很拼
「嫦娥五號」計劃在月球獲取2公斤左右的樣品，並帶回地球。為了完成勘測採樣任務，「嫦娥五號」配備了攝像機、光譜儀、雷達、機械臂和鑽具等精密設備。
國家航天局探月與航天工程中心副主任、「嫦娥五號」任務新聞發言人裴照宇介紹，為了提高這次採樣的可靠性，以及樣品的豐富性，「嫦娥五號」主要採用兩種採樣方式，即機械臂表取和鑽具鑽取，兩種方式互為備份。「樣本的預期總質量約為2千克。其中鑽取0.5公斤，表取1.5公斤。」
所謂表取，是在月球表面採集月壤。在表取工作之前，先會進行鑽取，鑽頭可深入月球內部2米，鑽取月壤巖芯。在兩天的工作時間裡，「嫦娥五號」的各種設備採取深鑽、淺鑽以及「鏟土」 「夾土」「挖土」等方式，採集了預期量的月壤。
12月2日，嫦娥五號探測器在月球表面自動採樣。新華社發（國家航天局供圖）
採取2千克樣本看似簡單，實則面臨不少困難。一方面，月面採樣裝置需要考慮到飛行任務和探測器的電源、光照、熱控等因素的約束；另一方面，還會受到月面溫度和地質情況等客觀條件的影響，如月面白天最高氣溫可達180℃；同時，在挖掘過程中如果遇到一些突發情況，沒法像真人取樣一樣隨機應變。這就在技術層面對採樣裝置提出了更高的要求。
採樣完成之後，還要「打包寄件」。就像寄送快遞一樣，單單手頭上有東西還不成，打包必不可少，不然半路遺漏了怎麼辦？與快遞寄件不同的是，「嫦娥五號」完全是依靠自己獨立完成的。在取樣的過程中，「嫦娥五號」就要把採到的巖芯、土壤部分裝到一個包裹裡，保持真空密閉。這樣才能在返航地球的時候，保證樣本不被地球環境所汙染。
當然，除了「挖土」回地球，「嫦娥五號」還將開展一系列科學探測，如著陸區的現場調查和分析，著陸點區域形貌探測和地質背景勘察，獲取與月球樣品相關的現場分析數據，建立現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯繫等。
完成月壤採樣封裝後，攜帶月球樣品的「嫦娥五號」上升器要從月面起飛，與返回器在軌道上交匯對接，將月球樣本轉移到返回器中，最終返回地球。
從目前的情況看，「嫦娥五號」幹得很不錯，於北京時間12月2日4時53分正式完成月球鑽取採樣以及封裝等工作。
鄭永春對月壤樣本充滿了期待：「如果『嫦娥五號』取得完整的巖芯，那這個巖芯價值巨大。因為巖芯是一層一層堆積起來的，記錄著月壤不斷翻轉、掩埋、堆積的過程，而我們只有通過巖芯樣品才能更好地研究月壤的形成過程。」
最浪漫的禮物
科學家的盛宴
「以前限於當時的技術手段，科學家判斷月球應該是十分乾燥的；上世紀90年代以來，通過遙感探測手段，科學家發現月球兩極永久陰影區可能會有水冰；如今，藉助新技術手段，對上世紀六七十年代的月球樣品進行了重新分析，發現月球樣品裡並非徹底沒水，還是有一些來自巖漿的水，儘管含量非常微小，基本上不可用。」鄭永春說，月球樣品的研究極大更新了我們對月球的認識。可以說，除了靠遙感數據獲得對月球全球性的認識之外，絕大部分與月球有關的發現，都來自月球樣品的實驗室研究。
「嫦娥五號」選擇在月球上最大的月海——風暴洋北部的呂姆克山脈附近著陸並實施採樣，是我國科學家經過深思熟慮的。
此前美國與前蘇聯的9次任務，帶回的月球樣本均採自月球正面的月海，年齡基本在30億到45億年間。而其中最古老的一些樣本，不僅幫助科學家提出大碰撞假說、重建了可能的月球起源過程，還為太陽系的演化提供了新的理論，如「阿波羅」15號帶回的樣品15415，被稱作「起源石」，它幫助科學家們提出了關於月球起源的重要理論。將這些樣品稱作寶藏，可以說是一點也不為過。
有科學家認為，雖然呂姆克山同樣屬於月球正面的月海地區，但與此前代表古老巖石信息的採樣點相比，這裡的噴發歷史可能只有13億年，是月球最年輕的月海玄武巖。先前的研究指出，月球的火山活動在最初的10億年較為活躍，在大約30億年前，火山活動逐漸停歇。
如果通過「嫦娥五號」帶回的樣本研究證實呂姆克山的「年輕」，它將提出一個全新的問題——月球的內部如何在形成數十億年後，仍保留有足夠的熱量用於噴發？如果能獲得這裡新的樣本，將有助於填補目前月球樣本的空白時間段，推進對月球火山活動和演化歷史的認識。
同時，月球也為其他行星的「測歲」提供了重要參考。一般來說，其他行星的「年紀」是根據月球隕石坑的大小，還有深度和對周圍環境造成的影響來進行判斷的。古老的區域有更多和更大的隕石坑，而較年輕的區域則有較少和較小的隕石坑。根據這些隕石坑的「年紀」，再利用月球上的土壤樣本，就可以得出絕對日期。目前8.5億年前到32億年前這段時間的月壤仍是一個謎，「嫦娥五號」或許可以提供這個謎團的答案。
昭昭之宇，浩瀚無垠；日月盈昃，辰宿列張。2004年「嫦娥工程」立項以來，中國的探月工程已經走過了16個年頭。在2020年年末，我們將收穫來自月球最浪漫的禮物。