【原】如何描繪一幅完整的太陽系歷史？答案竟在月球隕石坑里

造就Talk 2020-07-21

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在華盛頓海軍研究實(shí)驗(yàn)室一個(gè)明亮的白色房間里，有一個(gè)透明的塑料箱子，里面裝滿了來自天外的碎片。

這些碎片是從南極冰層中搜尋到的隕石，以及年齡可能大過太陽系的物質(zhì)顆粒。

地質(zhì)學(xué)家凱特·伯吉斯（Kate Burgess）從箱子里拿出另一個(gè)寶藏：一個(gè)小小的特氟?。ň鬯姆蚁┢孔?，里面還用特氟隆又包了兩層。

這個(gè)神秘的寶藏是1972年阿波羅17號(hào)的宇航員從月球帶回來的土壤。

阿波羅17號(hào)帶回的巖石樣本

小瓶子里只有很少量的月球土壤，但其中的科學(xué)價(jià)值卻是巨大的。

月球土壤的獨(dú)特之處在于，它們億萬年以來都幾乎不受干擾，并始終暴露在強(qiáng)烈的太空輻射下。

伯吉斯用一臺(tái)能看到原子的強(qiáng)大電子顯微鏡觀察標(biāo)本，希望能找到證據(jù)來證明，強(qiáng)烈的輻射是如何改變土壤顏色的。

這樣的研究聽起來很小眾，但它背后卻是一個(gè)宏偉、甚至美麗的想法。

伯吉斯正在努力使月球巖石成為探索宇宙的指南針。

她正在研究，土壤的顏色有多少是由成分決定的，多少是來自宇宙的侵蝕影響的。她說，搞清楚這一點(diǎn)有助于確定望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的天體（比如小行星）的成分組成。

月球樣本由此成為了我們與宇宙之間的紐帶，讓人類得以更深入地了解外太空。

遍布隕石坑的月球表面

對(duì)行星科學(xué)家來說，月球樣品是無價(jià)的——月球自形成以來變化不大，這使得它成為一個(gè)“時(shí)間膠囊”，一部記錄了地質(zhì)變化的《創(chuàng)世紀(jì)》。

月球上的第一個(gè)腳印

迄今為止，人類共完成了六次登月任務(wù)，宇航員共帶回了842磅的月球巖石、礫石和土壤。

“毫不夸張地說，這些巖石改變了我們對(duì)太陽系的理解，改寫了太陽系的歷史。在阿波羅之前，我們真的不知道月球是如何形成的，”美國羅格斯大學(xué)的行星科學(xué)家朱利安·格羅斯（Juliane Gros）說。

研究地質(zhì)學(xué)就是研究歷史。從這個(gè)角度來說，地球在持續(xù)不斷地破壞其自身對(duì)于歷史的記錄。

“地球是一個(gè)巨大的破壞機(jī)器。我們有風(fēng)、有雨、有冰，有各種天氣，它們?cè)诓粩嗟厍治g地表的巖石，”格羅斯說。

地球的地殼始終處于移動(dòng)和變化中。古往今來，巖石被“回收”到地底、重新融化，并隨著大陸板塊相互撞擊而重新形成。

但月亮沒有抹去它的歷史。格羅斯說，除了小行星撞擊外，“月球自形成以來沒有多大變化。這使得它成為一個(gè)‘時(shí)間膠囊’，記錄了我們太陽系的歷史。”

阿波羅11號(hào)帶回的巖石樣本

“一塊月亮巖石，就是一個(gè)小寶庫，”格羅斯如是說。

小時(shí)候的她曾經(jīng)夢(mèng)想成為一名宇航員，但最終由于對(duì)失重感到眩暈而不得不放棄了這個(gè)夢(mèng)想。

她說，通過和這些巖石打交道，“讓我也在某種程度上能夠成為宇航員”。不同的是，她和同事并不是在探索太空，而是在探索時(shí)間和歷史。

“（月球）地殼基本上是一個(gè)‘圖書館’。我們需要學(xué)習(xí)如何閱讀和解釋這些歷史存檔。”格羅斯說，在這個(gè)“圖書館”中，最重要的莫過于那些有關(guān)地球和月球最初是如何形成的“文件”。

阿波羅16號(hào)帶回的月球巖石

1972年，阿波羅16號(hào)帶回一塊4磅重的月球巖石。它主要由乳巖組成，是一種由熔融巖漿形成的巖石。月球地殼主要是由像這樣的巖石組成的，這告訴科學(xué)家，月球的形成環(huán)境是非?！氨┝Α钡?。

大約45億年前，尚處于萌芽階段的太陽系是一個(gè)非?；靵y的地方。

不久之后（宇宙學(xué)意義上的時(shí)間），太陽突然爆發(fā)，巨大的氣體球?qū)湓尤诤显谝黄鸩Ⅻc(diǎn)燃（一直燃燒到今天）。太陽這顆年輕的恒星仍然被碎片包圍，這些碎片相互撞擊形成行星。

大約在這個(gè)時(shí)候，地球（或者說是地球的前身）被另一顆可能相當(dāng)于火星大小的行星擊中。

地球和月球形成的示意圖

這次災(zāi)難將兩個(gè)世界融合在一起，形成了我們現(xiàn)在生活的地球。同時(shí)，碰撞的力量也讓兩個(gè)星體噴射出一些物質(zhì)，而這種物質(zhì)融化在一起形成了月球。

早期的月亮被巖漿的海洋所覆蓋，漫長的一段時(shí)間過去，巖漿沉降、冷卻，月球最終成了我們今天所知的模樣。

這樣來看，地球和月亮是仿佛一對(duì)雙胞胎。

僅僅依靠一塊巖石，科學(xué)家便推演了上述這一切：斜長石的密度不高，屬于在巖漿海洋表面冷卻時(shí)所出現(xiàn)的礦物類型。行星科學(xué)研究所的資深科學(xué)家達(dá)比·迪亞爾（Darby Dyar）說，當(dāng)月球形成時(shí)，斜長石遍布月球表面，形成了地殼。

而這僅僅是月球巖石講述故事的開始：月球的隕石坑還記錄了太陽系的歷史。

月球地殼遍布隕石坑，而科學(xué)家們已經(jīng)能夠利用阿波羅采回的樣本來精確確定這些隕石坑形成的日期。

月球上的隕石坑

月球地表的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地球，但這并不意味著它從未改變。小行星一次又一次地對(duì)月球撞擊，形成了無數(shù)的隕石坑，有些大型隕石坑甚至在地球上都能肉眼看到。

通過對(duì)月球隕石坑進(jìn)行年代測(cè)定，可以讓我們知道其他星球隕石坑的年齡。隕石坑越大，它們的年代就越久?！艾F(xiàn)在我們有了關(guān)于太陽系撞擊的美麗歷史，”迪亞爾說。在其他行星，比如水星上也有隕石坑，而我們現(xiàn)在知道了水星隕石坑的年齡，“因?yàn)槲覀冇幸惶讈碜栽虑虻膮⒖枷到y(tǒng)”。

了解月球隕石坑的年齡后，科學(xué)家們還做出了另一個(gè)驚人的假設(shè)：太陽系最外層的行星，也就是木星、土星、天王星、海王星，改變過公轉(zhuǎn)軌道。

隕石坑顯示，在行星形成大約6億年后，有一段猛烈的轟炸期，這意味著月球被許多小行星撞擊過。這非常奇怪，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)期應(yīng)該不會(huì)有如此瘋狂的小行星碰撞現(xiàn)象。

格羅斯說，一個(gè)可能的情況是，如果這些大型的氣體行星向太陽靠攏然后再遠(yuǎn)離，“它們就會(huì)干擾小行星，把小行星拋到周圍造成碰撞。”

科學(xué)家們?nèi)匀徊荒艽_定情況是否如此。但如果沒有月球巖石，上面的假設(shè)可能根本無法做出。

我們從為數(shù)不多的月球巖石中了解到了極多的信息。行星地質(zhì)學(xué)家還希望有更多的樣本，原因之一是，在所有阿波羅登月任務(wù)中，飛船都降落在月球赤道附近，而科學(xué)家們希望能夠研究其他地區(qū)的樣本。

迪亞爾說：“試圖從幾百公斤的巖石中解釋月球的歷史是非常令人沮喪的，我們沒有任何來自月球靠近極地的樣本，也不知道我們能否找到其他有趣的科學(xué)現(xiàn)象?！?/span>

月球的南極

美國宇航局計(jì)劃在2024年再次將人類送上月球。該計(jì)劃的宇航員將會(huì)“拜訪”月球南極的隕石坑，稱為“南極-艾特肯盆地”（South Pole–Aitken basin）——月球上最大、最深，也是最古老的隕石坑之一。形成這個(gè)盆地的撞擊能量非常強(qiáng)大，甚至將月球的地殼和內(nèi)部都暴露了出來。

此外，科學(xué)家無法直接研究地球的地殼，而月球則提供了有益的幫助。格羅斯說：“如果能再多獲得一些月球樣本，就可以幫助我們理解為什么地球有如此活躍的地質(zhì)活動(dòng)，而月球卻沒有?！?/span>

這些知識(shí)有很多實(shí)際意義。例如，將來如果人類想要開采某顆小行星的金屬和礦物，提前了解小行星的確切地質(zhì)構(gòu)成將大有助益。

人類有很多理由重返月球并建立長期居留地。

月球是一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)室，可以訓(xùn)練宇航員在深空任務(wù)中更好地生存；月球是一個(gè)很棒的發(fā)射場(chǎng)，可以用來執(zhí)行飛往火星或更遠(yuǎn)星球的任務(wù)。月球也有可能成為一個(gè)開采自然資源的好地方。

伯吉斯最喜歡的發(fā)現(xiàn)之一，是粘在月球泥土上的氦。

她說，氦“是被困在月球上的太陽碎片”。太陽從各個(gè)方向吹出氣體和粒子，月亮像海綿一樣吸收了其中一些碎片。這一發(fā)現(xiàn)具有肉眼可見的實(shí)際意義：氦是地球上日益稀缺的資源，未來也許我們可以在月球上開采。