在美國航空航天局詹森航天中心，保存著由「阿波羅」15號帶回地球的一塊月球巖石，它也是其中最大的一塊，編號15556。
1969年7月20日，美國太空人尼爾·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）和巴茲·奧爾德林（Buzz Aldrin）離開「阿波羅」11號的登月艙，首次在月球表面留下人類的足跡。在1969-1972年間，NASA成功執行6次登月任務，不僅讓人類的活動範圍擴展至地球之外，還為天體領域的研究提供了無盡的寶藏。
阿波羅計劃中，太空人陸續從月球帶回了大量的巖石樣本，總重達382千克。而在過去的59年間，美國陸續向全世界145名來自不同領域的科學家寄送了月球巖石的樣本。對這些樣本進行深入研究後，科學家的發現極具顛覆性，可能會完全改寫月球，甚至太陽系內行星的演化史。
撰文 | 埃裡克·賈文（Erica Jawin）
翻譯 | 彭昊 範焱
審校 | 李世傑
關於阿波羅計劃，最激動人心的在於人類第一次將自己的腳印留在了月球上。但在科學領域，它最大的貢獻在於來自月球的巖石，遠行的太空人收集了大量不同的樣品，把它們帶回了地球。採集的樣品共計382千克，包括巖石和月壤（在月球表面的一厚層物質，由破碎的巖石和塵埃組成），把這些樣品叫做寶藏一點也不為過。通過在實驗室中研究來自月球的樣品，我們確立了現代行星科學，這也為認識各類行星的地質演化過程提供了深刻的洞見。
瑞安·齊格勒（Ryan Zeigler）是美國航空航天局（NASA）阿波羅計劃的樣品負責人。他表示，在過去50年間，NASA收到了3190份研究特殊月球樣品的申請，申請的科學家超過500名，至少來自15個國家。他還說，在幾十年裡，他們已經向外發放了50 000多份特殊的月球樣品，目前有145名不同領域的科學家正在研究8000多份月球樣品，這些領域涵蓋了天文學、生物學、化學、工程學、材料科學、醫學和地質學。
最重要的是，這些來自月球的巖石徹底改變了我們對三大問題的認識：月球表面的性質、月球的起源以及太陽系的演化。
管理員們將「阿波羅」15號樣品從不鏽鋼存儲櫃的氣閘中轉出。
在將登月艙和太空人送上月球之前，我們對這顆天然衛星的了解主要是基於猜測，因為僅僅停留在地球表面，嚴重限制了人們對月球的觀察。
前人的研究證明，遍布撞擊坑的月球表面應該非常古老，因為需要花費數十億年的時間才有可能形成如此眾多的撞擊坑。當我們抵達月球後，也證實了這一點。隨著月球的巖石樣本被帶回地球，地球化學家（如果專注研究地外行星的化學組分特徵，則稱為行星化學家）深入分析了樣本中的同位素組成（同位素會隨著固定時間衰變，科學家十分清楚這一點）。結果表明，來自月球的樣品要比大多數地球上的巖石更古老，年齡在30億到45億年之間。
隨後，行星科學家建立了一套非常有用的模型，足以影響與月球或其他行星有關的後繼研究。他們統計了「阿波羅」11號著陸點附近的撞擊坑數量，並用這個數據匹配對應地點的月巖年齡。完成匹配後，模型就能確定撞擊坑在月球表面形成的速率。從「阿波羅」號帶回來的樣品就像是地質學界的羅塞塔石碑，在撞擊坑數量和月球年齡之間建立了聯繫。現在，科學家可以不用抵達現場就能預估月球（甚至其他行星）上任何位置的年齡。
在月球上收集的樣品中，最古老的樣品基本與月球本身的年齡相似，大約為45億年。由於地球上存在板塊構造，會使地殼不斷循環，所以地球上大多數巖石的年齡都遠遠小於40億年，而月球卻不存在板塊構造活動。因此我們可以管中窺豹，通過月球看到太陽系早期的古老巖石，甚至是地球早期的巖石。在今年三月的一項研究中，科學家分析了從「阿波羅」14號帶回來的角礫巖樣品，發現其中一塊可能根本就不屬於月球。相反，這可能是第一塊地球隕石，在40億年前從地球飛出，意外降落在到了月球表面。經過數十億年後，太空人艾倫·謝潑德（Alan Shepard）撿起了它，又把它重新帶回了家。
在阿波羅計劃以前，科學家對月球的形成過程爭論不休，當然，爭論的焦點也包括其他行星的衛星是如何形成的。也許是地球捕獲了另一顆靠得太近的星體；也許在形成的初期地球的轉速太高，有一小塊被甩了出去，與主體分離；也許地球與月球是同時形成的，都誕生於產生太陽系中所有行星的「原行星盤」（protoplanetary disk）。然而，在阿波羅計劃之後，我們有了完全不同的認識。
「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。
目前，在描述月球起源的理論中，最受歡迎的一種被稱為大碰撞假說。這種假說基於阿波羅計劃期間收集到的證據，認為大約在45億年前，一顆與火星差不多大的行星體撞擊了地球，導致自身碎裂並使部分地殼和地幔被噴射到太空中。這顆假想中的行星被稱為「忒伊亞」（Theia）。最終，被噴射的物質和忒伊亞的殘餘物混合在一起，聚合成了一顆星體，在冷卻後形成了今天的月球。
除了大量來自「阿波羅」號巖石樣品的證據以外，還有很多月表試驗也支持這種猜想。具體包括：
鐵：月球缺鐵的現象非常嚴重。當時阿波羅計劃曾在月表部署過行星物理試驗。結果表明，與其他類地行星相比，月球的內核體積非常小，僅佔總半徑的25%。這也暗示了月球內核缺少鐵質。或許，在大碰撞發生時地球已經形成了鐵質的內核，僅給月球留下了很少量的鐵。
乾燥：來自月球的樣品非常乾燥，幾乎所有揮發分都被剔除掉了。揮發分是指易於揮發的低沸點元素或分子，比如水、二氧化碳、氮和氫。為了解釋這種現象，有科學家認為是大碰撞時產生了巨大的能量和熱量，將月球上的揮發分帶走了。
巖漿洋：來自月球的樣品讓科學家提出了大量具有影響力的假說，巖漿洋假說就是其中之一，這個假說認為月球早期曾被巖漿海洋覆蓋。「阿波羅」11號樣品表明，月球高地（表面明亮的高地勢地區，相對於表面黑暗並且向下沉的月海地區）含有大量斜長石礦物，可能形成於一片大型的巖石熔融體。因為在熔融體冷卻的過程中，斜長石較輕，能夠漂浮在頂部。月表探測器還在其他地區發現了這類巖石，因此這類巖石可能在月球高地非常普遍。這或許說明，當時的巖漿層覆蓋了月球表面的大部分區域，甚至有可能完全覆蓋。
不過，一種新證據的出現使大碰撞假說變得更複雜了，這種證據同樣來自「阿波羅」號採集的樣品，它表明月球上多種同位素的組分十分特別。在2001和2012年，研究者使用了一種叫做「雷射氟化」（laser fluorination）的方法，發現鈦和氧的同位素組分在地球和月球中幾乎是相同的。假如月球只是忒伊亞和地球的混合物，它為什麼擁有和地球相同的同位素組成？新的證據激發了新的想法，行星科學家西蒙·洛克（Simon Lock）和莎拉·斯圖爾特（Sarah Stewart）就在本期的另一篇文章《月球起源：在巖石蒸汽中重生》中講述了他們提出的「合星」模型。
研究月球得出的結論同樣也可以引申到其他行星體。其中最重要的也許是關於太陽系演變的尼斯模型（在法國尼斯提出，因此得名）。根據這個模型，太陽系外側的巨行星在形成初期原本十分靠近彼此。幾億年後，它們的軌道變得很不穩定，以至於土星、天王星和海王星迅速向外擴散，遷移到了現在的軌道位置。它們離太陽的距離也變得更遠了。巨大的行星在遷移到現在的位置後，變得更靠近太陽系外側的柯伊伯帶，於是它們把這片區域的物質向內拉，使隕石與太陽系內的行星和衛星發生撞擊，並在整個太陽系中引發混亂。
這個模型聽起來可能有些牽強，但它優雅地解釋了一系列我們在宇宙中觀察到的現象。例如，通過給「阿波羅」號的樣品定年、分析撞擊坑的細節，科學家發現了一系列重要的現象。在月球形成7億年時，太陽系內行星被隕石撞擊的災難性事件抵達了巔峰，這次事件也被稱為「後期重轟炸」（late heavy bombardment）。最初，科學家無法找到簡單的解釋，很難說明為什麼撞擊會在這一時期迎來高峰。尼斯模型卻能解決這個問題，它預測的混亂撞擊期恰好就發生在這個時期。
除了告訴我們太陽系的演化史，來自月球的樣品還可以幫助科學家研究行星表面的化學變化。「太空風化」（Space weathering）是指在沒有大氣層的情況下，天體經歷物理和化學風化的過程。仔細分析來自阿波羅計劃的月壤樣品後，科學家發現月壤是由膠結物（agglutinates）、熔融玻璃以及微型顆粒衝擊形成的礦物碎屑組成的。隨著時間推移，膠結物可以佔成熟月壤成分的60%到70%。有一種微型金屬鐵球也是太空風化的產物，被稱為納米鐵。它可以聚集在月壤的外層，使表面變得暗淡。現在，我們已經知道有很多因素可以造成太空風化，其中包括太陽輻射、溫度的巨幅波動，以及微型隕石的不斷轟擊。
現在，月球研究又迎來了激動人心的時刻。就在今年，美國儲藏的所有月球樣品都將公開，其中一些樣品自50年前被採集回來後就一直沒有啟封過。當年，阿波羅計劃艱難地帶回了從月球採集到的巖石樣本，NASA特意決定留下一部分保持密封，等待科學技術超越阿波羅時代後再進一步研究。
今年三月，阿波羅新一代樣品分析項目（ANGSA）選出了9個研究小組，並給他們分配了來自「阿波羅」15號、16號和17號採集到的樣品，此前這些樣品一直處於真空密封的狀態。研究「新」的月球樣品或許是一次全新的機遇，讓我們有機會發現更加根本理論，進一步認識地球這顆天然衛星的形成和演變。
在「阿波羅」15、16和17任務期間收集的5塊個樣品。
儘管目前我們已經從阿波羅號帶回的樣品和月表試驗中獲取了很多信息，但新開封的樣品仍然會為我們提供難得的信息，當然，我們也迫切地需要更多的樣品。例如，我們還沒有來自月球遠端、極地區域，或者月球深部的樣品。我個人有兩塊樣品特別想要，一塊是來自月球南極艾肯盆地的樣品，另一塊則是極地隕石坑中的冰塊。南極艾肯盆地是月球上公認的最大撞擊盆地，也是太陽系中最大的撞擊盆地之一，盆地內部可能包含來自下月殼甚至月幔的物質。研究南極艾肯盆地有助於我們認識這類巨型的盆地，並理解它們是如何影響行星體的表面和內部結構的。如果未來能將極地的冰塊樣品帶回地球，不僅可以告訴我們這些水的來源和年齡，或許還能讓我們弄清地球上的水是從哪裡來的。
無論是通過載人飛行還是機器人，都有可能在未來實現這份關於月球樣品的願望清單。至於哪種方案更好，行星科學家還沒有達成共識。具體來說，部分科學家認為機器人比載人任務更便宜、更安全，也更有可持續性。而另一方則認為，人類比機器人聰明，能挑選出更多種類、更具地質學意義的樣品，阿波羅計劃帶回的樣品就很好地證明了這一點。
阿波羅計劃代表了一項獨特的成就，從根本上改變了我們對太陽系的看法。在慶祝人類實現這項偉大的飛躍50周年之際，我們也要意識到，從1972年12月14日執行完阿波羅17號的任務以來，就再也沒有人踏上另一顆行星了。作為一名深受這項使命啟發的科學家，我希望努力地創造出屬於我們這一代人的阿波羅時刻：看到人類再次登上月球，利用聰明才智、持之以恆的信念以及好奇心，探索一切未知。
本文作者：埃裡克·賈文是美國史密森尼國家自然歷史博物館的博士後研究員、地質學家。
本文審校：李世傑，中國科學院地球化學研究所助理研究員，主要從事隕石學與行星起源演化研究。
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