嫦娥五號公佈最新成果，月球“多活”了至少十億年_風聞

出處 | 果殼（Guokr42）

在神話的盡頭，羣星的故事才剛剛開始。

這話一點也不誇張。在先民的想象裏，嫦娥飛天、身赴廣寒，在桂樹和玉兔的陪伴下長守月宮。而科學世紀的中國人，不僅順利完成了探測器登月，更是通過“繞、落、回”三部曲，直接把月球的一部分搬回了地球。至此，中華文明書寫的真實歷史已然突破了先民的想象。可作為科學世紀的“嫦娥”，她還要突破更多。

這一次，她要突破人類認知的邊界。

嫦娥五號任務效果圖 | CNSA/CLEP

去年12月17日，我國首次月球採樣返回任務—— “嫦娥五號”返回艙順利着陸，帶回了38萬公里開外的珍貴月岩樣品。科學家持續攻關，在這些樣品裏揭開了月球演化的全新往事。

今年10月7日，由北京離子探針中心（隸屬中國地質科學院地質所）劉敦一研究員、以及該所訪問學者Alexander Nemchin教授（來自澳大利亞科廷大學，Curtin University）領銜的研究成果，正式刊登在國際知名學術期刊《科學》上。

新成果揭示了一項重要認識——月球地質的活躍期，比想象中至少多延續了十億年左右。

長征五號遙五運載火箭攜帶嫦娥五號探測器發射升空 | 新華社

估算月岩的年齡

無論地球、月亮還是其它星球，都是宇宙大舞台上的演員。在悠久的時間長河中，它們演繹着一幕幕的演化歷程。

地球、月球這類星球皆由岩石構成，它們的演化歷程，記錄在對應時期形成的岩石裏。而把一塊月岩及其所記錄的環境信息準確放回時間軸上的前提，便是首先測出這塊月岩的年齡。

距離地球畢竟38萬公里之遙，科學家如何知曉月亮上的石頭形成於何時呢？

答，數圈圈。算算術。

這可不是小兒囈語，而是實實在在的科學方法。

身在地球的我們，只需手持一台5-8倍放大倍率的普通望遠鏡，便可清晰觀察到月球表面坑坑窪窪的隕擊地貌。

當兩個撞擊坑相交，顯然是“新坑覆蓋老坑”。因此，只要觀察月球表面密密麻麻撞擊坑的連環疊覆關係，就能把月球表面不同區域岩層的先後順序擺出來。

加之不同時期，月球遭受隕擊的強度和頻度截然不同（剛形成不久的月亮遭受高強度撞擊頻度極高，此後幾十億年卻僅有零星隕擊物造訪），通過對隕擊坑大小和頻度進行統計，便可估算出月球某片區域的大概時代歸屬。

環形山的疊置關係和疊置頻度可以解釋很多月球年代學問題 | NASA’s Goddard Space Flight Center

但“數圈圈”有個致命問題。它只能告訴我們岩層的先後順序和大致時代歸屬，卻沒法報出一個準確的年齡數值。

20世紀早期，物理學家盧瑟福（E. Rutherford）揭示了一條關於放射性元素的重要定律——衰變定律。該定律認為放射性元素衰變的速率僅跟體系內放射性原子的數目有關。

這條定律在物理學史上成就了盧瑟福的大名。而在20世紀後續的時光裏，他的定律幾乎撐起了當代地球-行星科學的半部江山。

因為它就是“放射性同位素測年”的基本原理。

在天然條件下，很多放射性元素都是親石元素（Lithophile elements），被牢牢鎖死在岩石的微觀結構、也就是由小小離子構成的規則網格——晶格里。

被束縛在晶格里的放射性元素遵循衰變定律進行衰變，就如同岩石裏安裝了一隻不停奏響的時鐘。從“安裝好”的那刻起，岩石中放射性元素的初始含量就固定下來。隨着時間不停流逝，它們不停衰變。

衰變定律告訴我們：每一個時間節點（t）都嚴格對應一個剩餘同位素的精確量值。今人用質譜儀測出岩石裏同位素母體與子體的剩餘數量，然後順着衰變方程倒推未知數t，就獲得了整個衰變歷程消耗的時間。由於這個t是從晶格“安裝好”的那刻開始計數的，自然也就代表它們的“房東”——岩石本身的形成年齡了。

人類迄今採集的月岩樣品並不多，但終歸能夠在海量“數圈圈”的序列裏放上幾個有具體數值的“地標”。嫦娥五號採回的樣品就構成了最新的“地標”之一。

劉敦一教授團隊進行了鉛（Pb）同位素測年，同時結合隕擊坑頻度統計進行關聯校正，最終確認嫦娥五號着陸區（風暴洋地區，Oceanus Procellarum）的岩石形成於20億年前。

嫦娥五號着陸器拍攝的月面全景圖 | CNSA/CLEP/Mattias Malmer

今天的月球是個冰冷的石頭疙瘩。它何時徹底沉寂的呢？先前科學界普遍認為是30億年前。嫦娥五號的最新研究，讓月球地質運動的活躍歷史足足延後了大約十億年。

考慮到月球總年齡也不過45億年。10億年自然不是個小數目了。這個巨大的年代跨度背後，代表着怎樣的演化歷程呢？

不同的歲月，不同的往事

月球為什麼那麼早就冷了？答，體積太小了唄。

太空那麼冷的環境，誰小誰涼得快。當內部熱能不足以維持活躍的地質活動時，月球表面便死寂一片了。比它大得多的地球保温性能就很棒，以至今天仍能夠在地表實際體驗到它奔騰不息的地質活力。

而月球20億年前有沒有地質活性，誰説了算？當然月岩説了算啊——畢竟地質活動的最直觀產物便是形形色色的岩石。如果測出一塊月岩形成於距今20億年前，自然就代表20億年前月亮上有着活躍的地質運動——起碼，有着活躍的火山作用。

研究所涉的月岩屬於玄武岩，是地幔原始岩漿噴出地表後凝固形成的產物。這種岩石本身不算稀罕，月球上有、地球上也有。我們抬頭賞月，那些暗色的部分就是玄武岩。1000多年前李白在峨眉山也賞過月，還寫了詩。而峨眉山的金頂其實也是玄武岩。

月球剛形成時是一片岩漿海的狀態，隨後逐漸冷卻，在冷卻過程中，它岩漿體量也在一點點潰縮，彷彿一個逐漸乾涸的池塘。

月海玄武岩的能譜圖像 | 本文參考文獻（Che et al., 2021）

乾涸的池塘往往會發生一件事，“濃縮”。最形象的例子，莫過於最終只能相濡以沫的魚兒了。岩漿裏的某些元素也一樣（比如鉀、磷、稀土元素等，它們被稱為“不相容元素”）。隨着岩漿逐漸冷卻，它們就是不願隨凝固的岩石一併走掉，寧肯隨岩漿濃縮到底。

但隨着月球岩漿海的最終乾涸，它們逃無可逃，註定擺脱不了凝固為冰冷岩石的命運。於是在最晚期殘餘的岩漿產物裏，不相容元素的含量極高。

嫦娥五號採集的這些玄武岩，不僅年齡上比“池塘的最後乾涸期”晚了10億年，而且它的化學特徵上也未見到任何不相容元素被濃縮的痕跡。

這些拼圖拼在一塊，自然呈現了一個新的、足夠年輕的月球岩漿活躍週期。它在月球岩漿海徹底凝縮固結之後的十億年，仍然向月球地表貢獻了豐沛的新鮮熔岩（據估算大概2000 km3）。

月面上的嫦娥五號着陸器 | NASA/GSFC/Arizona State University

月球的活躍期延長了十億年。這個對人類來説已經幾乎大到無感的數字，到底代表着什麼呢？不妨用簡單幾句話梳理地球和月亮的簡史，大家可能會對嫦娥五號的新突破體會更直觀一些。

十億年尺度，地月簡史

地球誕生在46億年前的太陽系塵埃裏。

據現有理論猜測，在第一個十億年裏（4.6 - 3.8 Ga，“Ga”代表十億年，下同），地球與另一個原始行星相撞，碎片融合為月球。之後數億年，無數彗星密集地撞上新生的地月系統。這些太空髒冰塊為地球和月球帶來了豐沛的水。月球引力太小，水分很快揮發掉。龐大的地球則把這些水牢牢吸附在表面，匯為最初的海洋。在第一個十億年的最後一幕，在這最初的海洋裏，最初的生命誕生了。

緊接着是第二個十億年（3.8 -2.5 Ga）。地球上稱為太古宙。經過前一個週期的混沌翻覆，地球開始進入相對穩定的演化時期。以至於這十億年被稱為“平淡十億年”（Boring billion）。沐浴在黯淡的原始陽光中，地球生命非但沒有衰亡，反而孕育出一種足以徹底改變後世的重要機制——光合作用。在平淡十億年臨近結束時，光合微生物已經徹底滌盪了地球的“污濁之氣”，把大氣層改造成了****透徹的藍天。這片蔚藍的天穹一經出現，便再未消失在地球上空。

太古宙時的地球和月亮（想像圖）。嫦娥五號的新發現意味着，圖中的月亮可能需要重新畫過了 | Tim Bertelink

第三個十億年（2.5-1.5 Ga），元古宙****上半場。微生物仍舊主宰着世界。但在行星分異和板塊運動的合力下，更多的“大洲”出現了。按嫦娥五號的最新研究結果，月球在此時仍有着活躍的岩漿活動。當時或許可以看到這樣的景象：在太陽系第三軌道上，地球緩緩漂浮着。藍天、藍海、荒涼的大洲，除了沒有綠色，已與今日無異；圓月陪伴着它，銀白、斑駁、卻點燃着今日未見的紅色光斑。那是汩汩流動的熔岩。

模擬想象的月球早期岩漿海 | NASA/Goddard Space Flight Center

然後第四個十億年（1.5 – 0.5 Ga），元古宙下半場。中途有段時間地球被完全凍結。等巨型火山徹底融穿地表冰蓋時，地球再也找不回延續了三十億年的荒涼沉寂了——生物圈在大冰期之後獲得了爆破式發展，“微生物地球”結束了，宏觀生物的各個門類同時登上地球舞台，一個熱鬧的時代就此開始。

熱鬧的時代，0.5 Ga-至今，只有不到十億年的短暫時光。對這段時期，一句話概括就足夠了：它的開頭，寒武紀三葉蟲遨遊在蔚藍的海洋；它的另一頭，人類已經擁有了飛船和互聯網。

只有在這樣的尺度下，才很容易看出新的月球故事，陪伴着我們一起走到了生物劇變的前夜。

雖然後來月球仍不免淪為沉寂，但感謝這份沉寂，當此岸的地球在時間舞台上翻覆劇變、滄海桑田時，月球為我們留存了珍貴的遠古史料。這一眨眼就是二十億年。

當地球進入全新世，月球終於再次迎來了久違的活躍。遙遠的回憶裏，那岩漿汩汩的“煙火氣”，讓渡給了另一種全然不同的“煙火氣”。它們叫嫦娥、叫露娜（луна）、叫阿波羅（Apollo）。但其實一個名字就夠了，它叫人類。

嫦娥五號機械臂相機拍攝畫面 | 央視

嫦娥五號返回器和降落傘原件 | Steed攝

它是地月系統孕育的智慧文明。它能夠不斷超越自身的神話，不斷完善自身對宇宙的認知。也許根本不用等到下一個十億年，説不定一眨眼的時間，它便足以帶着平和的好奇心，去擁抱星河深處的無限斑斕。

羣星的故事，才剛剛開始。

參考文獻

[1] X. Che et al., 2021. Age and composition of young basalts on the Moon, measured from samples returned by Chang’e-5. Science, 10.1126/science.abl7957.

作者：溯鷹

編輯：Steed