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亚洲十大网投 - 封存多年的月球样品要“开箱”了!将会揭开多少秘密

2020-01-11 13:53:42   【浏览】1358

摘要:美国日前宣布将逐步打开封存的月球样品,利用新技术手段展开研究。自1969年至1972年,美国先后成功进行了6次载人登月,并带回约380公斤月球样品。但是,这些理论都存在非常大的缺陷,随着对阿波罗计划带回的月球样品的深入研究,逐步被废弃了。月球起源的关键证据来自于对月球样品化学组成的研究,尤其是氧同位素。获取月球的年龄,仍旧要借助阿波罗计划采回的月球样品。

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亚洲十大网投,美国日前宣布将逐步打开封存的月球样品,利用新技术手段展开研究。自1969年至1972年,美国先后成功进行了6次载人登月,并带回约380公斤月球样品。借助这些样品,人类对月球有了一个全新的认识。那么,几十年来,我们从月球的样品中得到了哪些信息呢?

日月安属?

月球起源大撞击假说的提出

战国时楚国的诗人屈原在《天问》中写道“日月安属?列星安陈?”向天发问日月从哪里来、日月星辰为什么这样排布?月球的起源,不仅让诗人浮想联翩,也是科学家十分关心的问题。

在1879年,著名生物学家达尔文的第二个儿子、天文学家乔治•达尔文提出,月球是由地球分裂出去的,他认为幼年地球快速地自转和太阳的潮汐作用形成共振,足以将地球甩出去一部分,形成月球。但后来的学者通过计算得出,这种作用不能够把地球的物质抛出去。而在1952年,美国物理学家、诺贝尔化学奖的获得者尤雷提出,月球和地球一样,是由太阳系原始的星尘汇聚而成的。随后,又有学者提出共生理论、捕获理论以及新的分裂理论等。但是,这些理论都存在非常大的缺陷,随着对阿波罗计划带回的月球样品的深入研究,逐步被废弃了。

月球岩石样品

阿波罗计划带回的382公斤的月球样品有很多种,比如斜长岩、玄武岩、橄榄岩等等。这说明,月球是高度演化的,并不是一个混沌的大球。这就否定了尤雷的说法,因为根据他的假设,月球由冷的原始星尘汇聚而成,它不应该有这么大程度的分异。月球起源的关键证据来自于对月球样品化学组成的研究,尤其是氧同位素。

氧是一种非常常见的元素,我们每天都在和它打交道。一个氧原子的原子核里有8个质子,它决定了氧元素的性质,此外还有不同数目的中子,分别为8、9、10个。所以氧元素就有3种不同组成的原子核,称为氧的三种同位素。在太阳系中,由于不同星体的演化历史不同,它们包含的氧同位素含量的比值和演化趋势是不一样的,所以可以通过测定氧同位素的比值来推测它们是否具有相同的起源。对阿波罗样品的研究表明,地球和月球的岩石具有高度相似的氧同位素组成,这说明它们来自于同一个母体。但地月之间又有不同之处,比如月球的铁含量明显偏低,易挥发组分偏低,而难熔元素又明显偏高。

月球表面景观

这些证据促使美国地质学家哈特曼和戴维斯在1975年正式提出大撞击理论。他们认为在地球形成后不久,一个火星大小(直径约1200公里)的小型星体快速与地球相撞,并抛射出约两个月球质量的物质,一部分落回地球,一部分则在地球外凝结,形成了月球。在2000年,这个撞向地球的星体被命名为忒伊亚(希腊神话中月亮女神塞勒涅的母亲)。在它们相撞的时候,地球已经完成了地核和地幔的分化,即地球上的铁元素大多已经下沉到地核中,斜着飞过来的忒伊亚只是撞上了贫铁的地幔,这就是月球铁含量低的原因。而撞出去的岩石几乎都变成了熔体甚至气态,易挥发的元素比如氢、氯等挥发掉了,而难熔的元素,比如钙、铝等则非常富集。地月具有相同来源,所以它们的氧同位素组成一致。地球和月球的成分既有相同,又有不同,从而否定了共生说和捕获说,因为这两个学说要求地月的组成要么完全相同,要么有巨大差异。

明月几时有?

揭开月亮芳龄的奥秘

“明月几时有,把酒问青天”是宋代诗人苏轼的疑问,但显然,他并没有得到答案。不仅苏轼不知道,直到大约一千年后,阿波罗号登月前,人们仍然不知道月球是在什么时候形成的。获取月球的年龄,仍旧要借助阿波罗计划采回的月球样品。

大撞击形成了大量的熔融物质,由它凝结形成的月球几乎也是一个熔融的大石球,科学家称之为岩浆海。后来,随着温度的降低,岩浆海逐渐冷凝结晶,形成晶体。不同的矿物结晶顺序不一样,比如橄榄石和辉石最先结晶,而且比较重,会沉到岩浆海的底部,组成了月幔。后结晶出的斜长石比较轻,漂浮在岩浆海的上方,就形成了斜长岩组成的月壳。在月球冷却以后,又遭受了大规模的陨石撞击,斜长岩的月壳被撞出大量的撞击坑。后来,撞击坑被深部来的玄武岩岩浆填充,就成了我们看到的月海,而斜长岩质的月壳就被称为高地。月海的玄武岩呈黑色,反光性差,而高地的斜长岩为浅色,反光性好,这就形成了我们晚上看到的明亮而又有暗斑的月亮。月球年龄的秘密就隐藏在这些岩石之中。

阿波罗11、12、14号降落在月海之中,采回来的大都是玄武岩,年龄一般为30亿-40亿年。最老的玄武岩来自于阿波罗13号,为43亿年。这说明在30亿年之后,月球的火山活动基本停止了,月表趋于沉寂。

1969年7月20日,宇航员埃德温-奥尔德林在月球上行走。照片拍摄者是“阿波罗11号”指挥官、登月第一人尼尔-阿姆斯特朗。

2017年,一项新研究测定了阿波罗14号返回的几块月海玄武岩中锆石的同位素组成。锆石是一种非常稳定的矿物,可以长久的保存形成之初的信息。科学家发现,根据锆石中放射性同位素的衰变规律,推断月球至少在45.1亿年前的时候就已经形成了。

我们目前发现的太阳系最古老的岩石是一块未分异的球粒陨石,年龄为45.67亿年。如果我们把这个时间作为太阳系形成的时刻,那么月亮至少在太阳系形成约5000万年后就已经存在了。

根据阿波罗计划返回的样品以及其他的研究手段,我们可以勾勒出月亮早期的历史:大约46亿年前,太阳系开始形成,太阳周围有大量的碎屑块体,也开始慢慢集结,形成大的行星;大约在45.5亿年前的时候,原始地球已经成型,而且温度很高,内部地核和地幔开始分化,铁等较重的元素下沉形成地核;又过了几千万年,一个叫忒伊亚的星体高速撞上地球,激起了大量物质抛洒到地球周围,与忒伊亚星体凝结形成了月亮,这个时间可能在45.3亿年前左右,之后月球的岩浆海逐渐分异出自己的月核、月幔和月壳。在40亿-38亿年前,月球遭受了大量撞击,表面形成了无数大大小小的撞击坑,并被后来上涌的岩浆填充,形成暗色的月海。撞击较轻的地方仍旧是明亮的高地。在30亿年前后,撞击减少,月球的岩浆、构造活动也基本停止,月亮的面貌就固定了下来。

所以,我们现在可以回答苏轼的疑问,大约在45亿年以前,月亮就已经存在了,而在30亿年前后,它的面貌就基本固定下来了,从而让古代的中国人根据月亮上的图案想像出嫦娥、玉兔和桂树的故事。

他山之石,可以攻玉

借助月岩研究地球早期环境

对地球的形成和演化的探索一直是地质学研究的难点,因为地球上存在活跃的板块运动和风化作用,古老的岩石基本上荡然无存了。我们已知的最古老的地球物质是来自于澳大利亚的一颗锆石,年龄为44亿年。仅凭这一颗锆石,我们很难获取幼年地球更多的信息。最古老的岩石在加拿大,年龄大约为40亿年。但是它经历了很多期的地质运动,原始信息大都被改造掉了。所以,研究地球早期的环境就要靠月球了。

从月球的岩石分析中,我们知道地球至少在45亿年以前就已经形成了,而且完成了地核和地幔的分化。而且大撞击事件形成了地球的岩浆海,那么地球上也应该有岩浆海,只不过地球岩浆海的证据被地球上的地质活动抹掉了。

奥地利维也纳自然历史博物馆内展出的月球岩石。

更巧合的是,在今年1月份发表的一项研究中,瑞典、澳大利亚和美国的科学家发现,在一块阿波罗14号带回的样品中(编号14321),包含了一块白色的岩块,只有三四厘米,包含了钾长石、石英和锆石。对这块特殊岩块的研究发现,如果它在月球形成,深度就应该在月表170公里之下。而与它相连的14321号样品其他部分形成深度不到70公里,这是矛盾的。另外,这个小岩块形成的温度较低,需要比较氧化的环境,这些都与14321号样品其他部分形成于高温、极度还原的环境是不符的。而从化学组成方面,它又和地球的物质非常像。所以,科学家推测它可能形成于地球上,深度大约20公里,温度约800度,年龄大约40亿年。后来,它被一次巨大的撞击送出了地外,最终落在了月球上,又被阿波罗飞船带回地球。尤其可贵的是,这块样品很好地保留了地球形成之初的信息,为我们打开了一个认识早期地球组成的窗口。

2020年,中国将发射“嫦娥五号”,从月球上采样2千克月岩回到地球,不仅包括土壤,还有岩石,甚至还有钻探获取的岩芯。这必将给月球样品研究带来新的热潮,也一定会揭开更多有关月球的奥秘。

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