嫦娥五号公布最新成果:月球“多活”了至少十亿年!

投稿时间:2021-10-17  消息来源:  提交者:洪门小拳

编者按:在神话的尽头,群星的故事才刚刚开始。
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这话一点也不夸张。在先民的想象里,嫦娥飞天、身赴广寒,在桂树和玉兔的陪伴下长守月宫。而科学世纪的中国人,不仅顺利完成了探测器登月,更是通过“绕、落、回”三部曲,直接把月球的一部分搬回了地球。至此,中华文明书写的真实历史已然突破了先民的想象。可作为科学世纪的“嫦娥”,她还要突破更多。
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这一次,她要突破人类认知的边界。

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去年12月17日,我国首次月球采样返回任务―― “嫦娥五号”返回舱顺利着陆,带回了38万公里开外的珍贵月岩样品。科学家持续攻关,在这些样品里揭开了月球演化的全新往事。
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今年10月7日,由北京离子探针中心(隶属中国地质科学院地质所)刘敦一研究员、以及该所访问学者Alexander Nemchin教授(来自澳大利亚科廷大学,Curtin University)领衔的研究成果,正式刊登在国际知名学术期刊《科学》上。
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新成果揭示了一项重要认识――月球地质的活跃期,比想象中至少延续了十亿年左右。
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估算月岩的年龄
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无论地球、月亮还是其它星球,都是宇宙大舞台上的演员。在悠久的时间长河中,它们演绎着一幕幕的演化历程。
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地球、月球这类星球皆由岩石构成,它们的演化历程,记录在对应时期形成的岩石里。而把一块月岩及其所记录的环境信息准确放回时间轴上的前提,便是首先测出这块月岩的年龄。
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距离地球毕竟38万公里之遥,科学家如何知晓月亮上的石头形成于何时呢?
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答,数圈圈。算算术。
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这可不是小儿呓语,而是实实在在的科学方法。
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身在地球的我们,只需手持一台5-8倍放大倍率的普通望远镜,便可清晰观察到月球表面坑坑洼洼的陨击地貌。
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当两个撞击坑相交,显然是“新坑覆盖老坑”。因此,只要观察月球表面密密麻麻撞击坑的连环叠覆关系,就能把月球表面不同区域岩层的先后顺序摆出来。
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加之不同时期,月球遭受陨击的强度和频度截然不同(刚形成不久的月亮遭受高强度撞击频度极高,此后几十亿年却仅有零星陨击物造访),通过对陨击坑大小和频度进行统计,便可估算出月球某片区域的大概时代归属。
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但“数圈圈”有个致命问题。它只能告诉我们岩层的先后顺序和大致时代归属,却没法报出一个准确的年龄数值。
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20世纪早期,物理学家卢瑟福(E. Rutherford)揭示了一条关于放射性元素的重要定律――衰变定律。该定律认为放射性元素衰变的速率仅跟体系内放射性原子的数目有关。
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这条定律在物理学史上成就了卢瑟福的大名。而在20世纪后续的时光里,他的定律几乎撑起了当代地球-行星科学的半部江山。
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因为它就是“放射性同位素测年”的基本原理。
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在天然条件下,很多放射性元素都是亲石元素(Lithophile elements),被牢牢锁死在岩石的微观结构、也就是由小小离子构成的规则网格――晶格里。
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被束缚在晶格里的放射性元素遵循衰变定律进行衰变,就如同岩石里安装了一只不停奏响的时钟。从“安装好”的那刻起,岩石中放射性元素的初始含量就固定下来。随着时间不停流逝,它们不停衰变。
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衰变定律告诉我们:每一个时间节点(t)都严格对应一个剩余同位素的精确量值。今人用质谱仪测出岩石里同位素母体与子体的剩余数量,然后顺着衰变方程倒推未知数t,就获得了整个衰变历程消耗的时间。由于这个t是从晶格“安装好”的那刻开始计数的,自然也就代表它们的“房东”――岩石本身的形成年龄了。
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人类迄今采集的月岩样品并不多,但终归能够在海量“数圈圈”的序列里放上几个有具体数值的“地标”。嫦娥五号采回的样品就构成了最新的“地标”之一。
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刘敦一教授团队进行了铅(Pb)同位素测年,同时结合陨击坑频度统计进行关联校正,最终确认嫦娥五号着陆区(风暴洋地区,Oceanus Procellarum)的岩石形成于20亿年前。
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今天的月球是个冰冷的石头疙瘩。它何时彻底沉寂的呢?先前科学界普遍认为是30亿年前。嫦娥五号的最新研究,让月球地质运动的活跃历史足足延后了大约十亿年。
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考虑到月球总年龄也不过45亿年。10亿年自然不是个小数目了。这个巨大的年代跨度背后,代表着怎样的演化历程呢?
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不同的岁月,不同的往事
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月球为什么那么早就冷了?答,体积太小了呗。
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太空那么冷的环境,谁小谁凉得快。当内部热能不足以维持活跃的地质活动时,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,以至今天仍能够在地表实际体验到它奔腾不息的地质活力。
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而月球20亿年前有没有地质活性,谁说了算?当然月岩说了算啊――毕竟地质活动的最直观产物便是形形色色的岩石。如果测出一块月岩形成于距今20亿年前,自然就代表20亿年前月亮上有着活跃的地质运动――起码,有着活跃的火山作用。
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研究所涉的月岩属于玄武岩,是地幔原始岩浆喷出地表后凝固形成的产物。这种岩石本身不算稀罕,月球上有、地球上也有。我们抬头赏月,那些暗色的部分就是玄武岩。1000多年前李白在峨眉山也赏过月,还写了诗。而峨眉山的金顶其实也是玄武岩。
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月球刚形成时是一片岩浆海的状态,随后逐渐冷却,在冷却过程中,它岩浆体量也在一点点溃缩,仿佛一个逐渐干涸的池塘。
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干涸的池塘往往会发生一件事,“浓缩”。最形象的例子,莫过于最终只能相濡以沫的鱼儿了。岩浆里的某些元素也一样(比如钾、磷、稀土元素等,它们被称为“不相容元素”)。随着岩浆逐渐冷却,它们就是不愿随凝固的岩石一并走掉,宁肯随岩浆浓缩到底。
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但随着月球岩浆海的最终干涸,它们逃无可逃,注定摆脱不了凝固为冰冷岩石的命运。于是在最晚期残余的岩浆产物里,不相容元素的含量极高。
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嫦娥五号采集的这些玄武岩,不仅年龄上比“池塘的最后干涸期”晚了10亿年,而且它的化学特征上也未见到任何不相容元素被浓缩的痕迹。
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这些拼图拼在一块,自然呈现了一个新的、足够年轻的月球岩浆活跃周期。它在月球岩浆海彻底凝缩固结之后的十亿年,仍然向月球地表贡献了丰沛的新鲜熔岩(据估算大概2000 km3)。
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月球的活跃期延长了十亿年。这个对人类来说已经几乎大到无感的数字,到底代表着什么呢?不妨用简单几句话梳理地球和月亮的简史,大家可能会对嫦娥五号的新突破体会更直观一些。
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十亿年尺度,地月简史
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地球诞生在46亿年前的太阳系尘埃里。
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据现有理论猜测,在第一个十亿年里(4.6 - 3.8 Ga,“Ga”代表十亿年,下同),地球与另一个原始行星相撞,碎片融合为月球。之后数亿年,无数彗星密集地撞上新生的地月系统。这些太空脏冰块为地球和月球带来了丰沛的水。月球引力太小,水分很快挥发掉。庞大的地球则把这些水牢牢吸附在表面,汇为最初的海洋。在第一个十亿年的最后一幕,在这最初的海洋里,最初的生命诞生了。
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紧接着是第二个十亿年(3.8 -2.5 Ga)。地球上称为太古宙。经过前一个周期的混沌翻覆,地球开始进入相对稳定的演化时期。以至于这十亿年被称为“平淡十亿年”(Boring billion)。沐浴在黯淡的原始阳光中,地球生命非但没有衰亡,反而孕育出一种足以彻底改变后世的重要机制――光合作用。在平淡十亿年临近结束时,光合微生物已经彻底涤荡了地球的“污浊之气”,把大气层改造成了透彻的蓝天。这片蔚蓝的天穹一经出现,便再未消失在地球上空。
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第三个十亿年(2.5-1.5 Ga),元古宙上半场。微生物仍旧主宰着世界。但在行星分异和板块运动的合力下,大陆的地基――真正的“大洲”出现了。按嫦娥五号的最新研究结果,月球在此时仍有着活跃的岩浆活动。当时或许可以看到这样的景象:在太阳系第三轨道上,地球缓缓漂浮着。蓝天、蓝海、荒凉的大洲,除了没有绿色,已与今日无异;圆月陪伴着它,银白、斑驳、却点燃着今日未见的红色光斑。那是汩汩流动的熔岩。
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然后第四个十亿年(1.5 0.5 Ga),元古宙下半场。中途有段时间地球被完全冻结。等巨型火山彻底融穿地表冰盖时,地球再也找不回延续了三十亿年的荒凉沉寂了――生物圈在大冰期之后获得了爆破式发展,“微生物地球”结束了,宏观生物的各个门类同时登上地球舞台,一个热闹的时代就此开始。
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热闹的时代,0.5 Ga-至今,只有不到十亿年的短暂时光。对这段时期,一句话概括就足够了:它的开头,寒武纪三叶虫遨游在蔚蓝的海洋;它的另一头,人类已经拥有了飞船和互联网。
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只有在这样的尺度下,才很容易看出新的月球故事,陪伴着我们一起走到了生物剧变的前夜。
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虽然后来月球仍不免沦为沉寂,但感谢这份沉寂,当此岸的地球在时间舞台上翻覆剧变、沧海桑田时,月球为我们留存了珍贵的远古史料。这一眨眼就是二十亿年。
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当地球进入全新世,月球终于再次迎来了久违的活跃。遥远的回忆里,那岩浆汩汩的“烟火气”,让渡给了另一种全然不同的“烟火气”。它们叫嫦娥、叫露娜(луна)、叫阿波罗(Apollo)。但其实一个名字就够了,它叫人类。
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它是地月系统孕育的智慧文明。它能够不断超越自身的神话,不断完善自身对宇宙的认知。也许根本不用等到下一个十亿年,说不定一眨眼的时间,它便足以带着平和的好奇心,去拥抱星河深处的无限斑斓。
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群星的故事,才刚刚开始。
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