【博評】William:嫦娥登月 月背樣本有何學術意義?

2024-06-05 10:09:59 最後更新日期:2024-06-06 09:44:30
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

 232834由嫦娥6號擕帶的一架小型月球車(只有拍攝功能)所回拍的嫦娥6號採集樣本片段,返回器在最頂端。(圖片來自中央電視台)

昨天(6月4日早上),嫦娥六號經過兩天的表土及較深層月壤鑽探採樣後,已經於6時左右開始返回地球的過程。這是人類第一次由月球背面採集泥土樣本。由於長期以來對月球探測集中在向著地球的正面,人類對於月球背面的熟悉度,事實上遠低於月球正面。

171月球朝向地球的一面(左圖,月面)與月背的比較。基於月球早就被地球潮汐鎖定,雖然月球上任何地點都有日出日落,但只有一面永遠向著地球方向。朝汐鎖定加上最早5至10億年月球還離地球頗近,因重力更強關係,地球間接為月面那一面吸收了大量的隕石撞搫,月背就沒有這個好「運氣」了。(網絡圖片)

如果真的要談這次探測對月球研究的學術意義的話,首次月背採樣返回算是最重要的,過去太空人和自動採樣器的採樣,都是在月面區域且大部分集中在月海地區,抽樣成份雖有不同,但仍嫌單一,若要更為了解月球整體的地理與地質特性,當然需要更多地方及更多樣性的採樣。而由於過去對月背的探索並不多,真正進行實地探索也極少,所以更為值得研究。

172嫦娥6號的降落地點—南極-艾特肯盆地。不過這盆地十分巨大,由南緯30度一直伸延至南極點,中心點在南緯53度左右。登陸點事實上在該盆地東北位置的阿波羅撞擊坑的南端邊緣位置,緯度大約在南緯41度左右。(網絡圖片)

 

而其中中國航天部門選擇的地區,更是月球背面的「奇中之奇」,南極-艾特肯盆地過去研究更少,因為七十年代登月太空船的軌道,讓太空人很難對南緯道地區進行詳細臨空觀測,美國人也只是在二十年前才弄清這地區的基本地形。根據推測,這裏原本是個巨型隕石坑,形成於四十億年前,這裏本身是月球背面的最低地區,而且因為受到隕石撞擊,月殼厚度也較月背平均值為低,原因應該和有更多原本的月殼內部與內月幔的物質及撞飛出來;另一方面,該地區地貌上也相當適合降落與採樣。

asteroid and meteorite types不同種類的隕石,其中金屬隕石更多是來自原行星已經開始物質分層的內核被撞碎後拋灑出來,這些金屬隕石不但有更大比例的金屬,且稀有重元素的豐度也會比地球上為多。(圖片來自連結)

 

資源運用的問題

對於人類而言,除了傳說中核聚變發電的理想物質氦3外,月球上還有很多資源,不過基於月面與月背的差異,大家的資源分怖、形式及富集度就很可能不一樣:由於地貌絕然不同,而且冷卻較快,月球背面火山的活動應該更早於正面就停止。由於地球表面很多金屬礦床都和火山活動將富含特定金屬的溶岩帶到月殼上層有關,一般認為類似的礦床都會在月面出現。然而月背的火山活動更弱及更早停止,這種富集度高的礦床出現的機會似乎會更少。

不過月背更多受隕石撞擊,而且也沒有過多火山活動破壞其富集,很多隕石(尤其是金屬較豐富的隕石)帶過來的稀有金屬物質更容易聚積在月球背面的地表上或坑洞內,相對來說更容易開採。只是在進行資源查探前,我們還是要對月背進行大規模的地質採樣普查。

d41586A90年代時美國的環月飛行器(極軌衛星)在探測月球過程中,曾利用中子探測器掃瞄月球南極。由於宇宙射線中的中子撞到水分中的氫會反彈,只要利用多次飛越南極的機會,就可大至描繪到南極地區可能的含水情況(無論是以冰形式殘留在坑的永暗區或泥土內。這方法只能探測到南極一小塊地區的情況,但亦可證明南極區坑洞內的永暗區似乎存在更多可利用的水。(圖片來自連結1及連結2)

 

另方面,月背更大量的隕石坑也有利於水資源的開發。南極地區盤地基於高緯度及隕石坑極多,過去即曾發現個別隕石的永夜區(陽光無法照射的區域)存在著大量水冰積聚的間接證據。這些水冰可能是最適合人類運用的月球水,比起之前嫦娥四號樣本發現石英中的水分更容易採集。

 illustration of the giant impact hypothesis with the news photo 164745612545億年前有火星差不多大小的原行星忒伊亞(Theia)和剛形成的地球相撞並被毀,地球雖未被撞毀,但大量碎片給撞出來並拋到地球軌道附近,碎片在相當短的時間內(100年內)重新凝結形成月球。這就是現今科學家所謂「大撞擊假說」(Giant impact hypothesis)。(圖片來自NASA)

月球形成理論的佐證

事實上,由早期探月開始,天文學家已留意到月球向地方一面和背面在地貌上有很大不同,其中一個特點是缺乏月海平滑地形,坑洞多得多。這種外形差異顯示月球形成時受到更多外力所影響。

若理解月球現時形成的最主要理論—撞擊說, 可以知道月球其實是由原行星忒伊亞(Theia)撞擊地球至完全解體後,地忒物質混合並彈上環地軌道後再重新凝結形成。不過之前月面(尤其月海)所查探到的物質,其同位素分佈都和地球相約,這是撞擊說其中一個矛盾之處。若果能在月背或其他地方找到和地球不一樣同位素分佈,或者可以進一步增加本學說的可信度,同時也能揭示當時更多情況:事實上,即使嫦娥四號已進行月球採樣,但其採樣地也是月面的月海地區,而且同位素分析結果和之前登月的分析沒有很大不同。

41586A加州理工學院的博士後研究員袁遷博士及其團隊的理論模型,顯示忒伊亞較慢相對速度的撞擊會讓上地幔重新熔融成高温液態,但更重要的是密度較高的伊亞地幔碎片很多都無法和地球地幔完全融合,甚至過了很多億年仍然如是,且更會漸漸匯聚至地幔底層,形成密度較高也代表有稍大的重力的大型低速體(LLSVPs),結果伊亞殘餘物質都集中到地核的“背對背”兩面。由於過去的化驗顯示由大型低速體引發熱柱而給帶上來的內地幔物質,成份和同位素分佈與一般的地幔岩漿有些差異,若將今次的樣本(主要來自月球背面地表與月幔物質)和之前的進行比對,或者可揭開大撞擊說未解的謎團,(圖片來自袁博士的TWITTER)

 

若能充分解構月球背部岩石的成份、形成年代等,不單能印證撞擊論的可靠度,還可進一步推測撞擊的模式,例如究竟是否發生二次撞擊(撞擊後首先產生兩個衛星,然後兩個衛星再撞在一起成為今日的月球)、忒伊亞是否仍有一部分停留在地球深處等。

 地月系統44-45億年前最初形成時,距離可能只在15000公里之內,甚至到40億年前時,月球離地球還是只有13萬公里左右的距離。這距離的潮汐力加上早期地球地表還處於溶融狀態,對月面表面的影響可以相當巨大。

 

另一方面,月球背面的地貌也似乎和冷卻速度有關。一般認為月面月背地貌完全不同,同時也有地球因素在內;月球初形成時,本身就相當接近地球,似乎也在很短時間內就被地球潮汐鎖定,當時地球表面仍然處於融解狀態,熱力足以讓月面保持更高的溫度,而且潮汐力也更多施加於月球一面的話,月球月殼不斷受同一面拉扯,也讓月面一面持續保持一段時間的高溫及火山活動(之前嫦娥五號的研究也顯示月面的火山活動維持至20億年前左右);相對地,月球背面的冷卻速度更快,也沒有地球對其進行潮汐拉扯,所以不但冷卻速度較高,月殼較厚,且因為地質活動更快停止,隕石都給砸到滿臉都是坑……對月背的採樣,其實也有機會進一步驗證這些理論。

29738A1……小弟雖然知道名嘴與登月無關,但對於這些散佈無知搞垮社會的東西,實在不能不再「嘴」一遍。不斷製造無聊話題及實踐個人崇拜(如近日某科技公司大佬)去麻痺人民,和數千數百年前人類拿活人「日食祭天」,或者把提出新科學理論的人掛在十字架上行火刑,究竟有什麼分別?(網絡圖片)

 

後記:

華人網絡界對於嫦娥6號登月事件普遍反應正面,當然也不乏兩極的情況,例如莫名其妙的轉向質疑半世紀前的美國登月,以及某島「沒有XX低奈米芯片它能起飛嗎這類對人類航天史及航天技術極度無知的酸言酸語。每一次這類型的探測,當然當下成果未必很大,但都能累積極大量的原始資料及數據,一來可供各項目研究人員與科學家進行進一步的研究與建立假說 / 新的研究方向,另一方面也能為持續多年的工程提供更多第一手參考資料和改進方法,對於下個十年、二十年甚至五十年的登月與月球利用的大工程,都是不大不小且持續不斷的步伐。

發佈於 博評
By 2024-06-05

手機分享本文: